晶片只是其中很小的一塊
人們一想到量子電腦，腦海裡浮現的就是那塊晶片。但量子處理器本身其實很小——一塊平整的矽片或藍寶石，大約只有指甲蓋那麼大，表面上刻著幾個到幾百個量子位元。它小到能在你口袋裡弄丟。房間裡其餘的一切，存在的唯一目的，就是讓這一小塊片子保持寒冷、安靜、又能與外界連通。
為什麼一個這麼小的東西要這麼大費周章？量子位元只有在幾乎完全不受打擾時，才能守住它那脆弱的量子態。熱，就是打擾。在室溫下，量子位元會浸泡在一片熱擾動的風暴裡，一瞬間就忘掉自己的狀態。所以這塊晶片必須被冷卻到離絕對零度只差一根頭髮絲的地步——比深空還冷——之後它才談得上做點有用的事。
順著冰箱一層層往下走
製冷是由一台稀釋製冷機完成的——人們常常就叫它「冰箱」。它不是一個單獨的冷櫃，而是一疊金屬板，每一塊都比它上面那塊更冷。你可以想像一個倒掛在真空罐裡的婚禮蛋糕：最上面那塊板處在室溫，往下每一塊都是更冷的一層架子。晶片就吊在最底下、那最冷的一層架子上，溫度大約是 10 毫開爾文——也就是比絕對零度高出大約四十分之一度。
每一層架子都有它的活兒：把從上面那層較暖架子漏下來的熱量攔住，好讓真正到達晶片的熱量微乎其微。那些把訊號送給量子位元的線纜，被特意固定在每一層上，並在一路向下時被溫和地「削弱」——這個手法叫低溫衰減——這樣它們只把訊號帶下去，卻不把暖意一起帶下去。
~300 K ==================== room temperature : top plate
| | | (coax cables run down)
~50 K -------------------- first cold shelf
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~4 K -------------------- liquid-helium-like stage
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~800 mK -------------------- 'still' plate
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~100 mK -------------------- cold plate
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~10 mK ==================== mixing chamber : COLDEST
[ QUANTUM CHIP ] <- fingernail-size
線纜、機架，和真正的瓶頸
現在往上爬回去。要跟一個量子位元「說話」，室溫下的電子設備會沿著一根同軸電纜送下去一個微弱的微波脈衝——就是你電視機背後那種線纜，只不過這種是為耐受嚴寒而造的。粗略地說，每個量子位元都需要屬於自己的一兩根線纜：一根用來「撥動」它，一根用來「讀回」它。這些線纜要從最頂上那些溫暖的機架，一路通到最底下的晶片。
冰箱的最頂上擺著一排排再普通不過的電子設備——訊號產生器、放大器、控制盒，還有一台運行這一切的普通電腦。這部分讓人感覺很熟悉。一個有點出人意料的事實是：無論按體積還是按造價算，「量子電腦」的絕大部分，恰恰就是這些東西：製冷、加上佈線、再加上經典控制設備。真正的量子戲法，發生在一塊你用硬幣就能蓋住的晶片上。
而這裡有個讓工程師們夜不能寐的難處。幾百個量子位元，就已經需要幾百根線纜穿過冰箱往下走。一台真正有用的機器，也許需要上百萬個量子位元——可你根本沒法把上百萬根同軸電纜塞進一台冰箱，那會用熱量和擁擠把它活活憋死。這就是佈線瓶頸，它是橫在今天的晶片和明天的晶片之間最棘手的問題之一。
- 最頂上的一台經典電腦決定要做什麼，並把指令告訴控制電子設備。
- 控制盒把它變成微弱的微波脈衝，沿著同軸電纜一路下到寒冷之中。
- 在約 10 毫開爾文處，脈衝撥動量子位元，由它們完成工作的量子部分。
- 微弱的回答訊號再往上傳回去，被放大，最後由那台經典電腦讀出結果。
一個有希望的解法——以及一句老實話
如果麻煩在於「太多線纜從遠處溫暖的機架上接過來」，那麼一個思路就是：把控制電子設備搬下去、搬到寒冷之中，緊挨著晶片放。專門為低溫環境製造的晶片——低溫 CMOS——也許能用一段就近的、密集的短連接，去取代一大捆又長的同軸電纜。穿過各溫度層的線纜少了，漏進來的熱量就少了，雜亂也少了一大截。
但我們得老實說說它現在到了哪一步。低溫 CMOS 有希望，但還很早——實驗室裡確實已經有真正能工作的部件，可把電子設備放得離量子位元這麼近，會帶來它自己的熱量和雜訊，而這必須先被馴服，才談得上規模化。還沒有誰真的交付過這樣一台冰箱：裡面裝滿量子位元，並且完全由就近的低溫電子設備來運行。它是一個被看好的押注，而不是一個已經解決的問題。