芯片只是其中很小的一块
人们一想到量子计算机，脑海里浮现的就是那块芯片。但量子处理器本身其实很小——一块平整的硅片或蓝宝石，大约只有指甲盖那么大，表面上刻着几个到几百个量子比特。它小到能在你口袋里弄丢。房间里其余的一切，存在的唯一目的，就是让这一小块片子保持寒冷、安静、又能与外界连通。
为什么一个这么小的东西要这么大费周章？量子比特只有在几乎完全不受打扰时，才能守住它那脆弱的量子态。热，就是打扰。在室温下，量子比特会浸泡在一片热扰动的风暴里，一瞬间就忘掉自己的状态。所以这块芯片必须被冷却到离绝对零度只差一根头发丝的地步——比深空还冷——之后它才谈得上做点有用的事。
顺着冰箱一层层往下走
制冷是由一台稀释制冷机完成的——人们常常就叫它「冰箱」。它不是一个单独的冷柜，而是一摞金属板，每一块都比它上面那块更冷。你可以想象一个倒挂在真空罐里的婚礼蛋糕：最上面那块板处在室温，往下每一块都是更冷的一层架子。芯片就吊在最底下、那最冷的一层架子上，温度大约是 10 毫开尔文——也就是比绝对零度高出大约四十分之一度。
每一层架子都有它的活儿：把从上面那层较暖架子漏下来的热量拦住，好让真正到达芯片的热量微乎其微。那些把信号送给量子比特的线缆，被特意固定在每一层上，并在一路向下时被温和地「削弱」——这个手法叫低温衰减——这样它们只把信号带下去，却不把暖意一起带下去。
~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
线缆、机架，和真正的瓶颈
现在往上爬回去。要跟一个量子比特「说话」，室温下的电子设备会沿着一根同轴电缆送下去一个微弱的微波脉冲——就是你电视机背后那种线缆，只不过这种是为耐受严寒而造的。粗略地说，每个量子比特都需要属于自己的一两根线缆：一根用来「拨动」它，一根用来「读回」它。这些线缆要从最顶上那些温暖的机架，一路通到最底下的芯片。
冰箱的最顶上摆着一排排再普通不过的电子设备——信号发生器、放大器、控制盒，还有一台运行这一切的普通计算机。这部分让人感觉很熟悉。一个有点出人意料的事实是：无论按体积还是按造价算，「量子计算机」的绝大部分，恰恰就是这些东西：制冷、加上布线、再加上经典控制设备。真正的量子戏法，发生在一块你用硬币就能盖住的芯片上。
而这里有个让工程师们夜不能寐的难处。几百个量子比特，就已经需要几百根线缆穿过冰箱往下走。一台真正有用的机器，也许需要上百万个量子比特——可你根本没法把上百万根同轴电缆塞进一台冰箱，那会用热量和拥挤把它活活憋死。这就是布线瓶颈，它是横在今天的芯片和明天的芯片之间最棘手的问题之一。
- 最顶上的一台经典计算机决定要做什么，并把指令告诉控制电子设备。
- 控制盒把它变成微弱的微波脉冲，沿着同轴电缆一路下到寒冷之中。
- 在约 10 毫开尔文处，脉冲拨动量子比特，由它们完成工作的量子部分。
- 微弱的回答信号再往上传回去，被放大，最后由那台经典计算机读出结果。
一个有希望的解法——以及一句老实话
如果麻烦在于「太多线缆从远处温暖的机架上接过来」，那么一个思路就是：把控制电子设备搬下去、搬到寒冷之中，紧挨着芯片放。专门为低温环境制造的芯片——低温 CMOS——也许能用一段就近的、密集的短连接，去取代一大捆又长的同轴电缆。穿过各温度层的线缆少了，漏进来的热量就少了，杂乱也少了一大截。
但我们得老实说说它现在到了哪一步。低温 CMOS 有希望，但还很早——实验室里确实已经有真正能工作的部件，可把电子设备放得离量子比特这么近，会带来它自己的热量和噪声，而这必须先被驯服，才谈得上规模化。还没有谁真的交付过这样一台冰箱：里面装满量子比特，并且完全由就近的低温电子设备来运行。它是一个被看好的押注，而不是一个已经解决的问题。