IBM Quantum System Two：超导路线 L1 基础设施总览¶

0. 时间阶段与层级定位¶

时间与阶段说明

本节描述的是 IBM Quantum System Two L1 基础设施在 2023 年首发至 2025 年初 这一阶段的工程形态与公开指标。
在行业演进中的定位：
从单一 QPU 实验平台（System One）迈向 多 QPU、模块化、可扩展的量子数据中心节点 的第一代商用基础设施。
服务于 NISQ →“量子实用 / 量子优势”过渡期：尚未全面容错，但已能在有噪声硬件上执行规模逐步扩大的实用电路。

物理路线限定

本节所述的 L1 架构特指面向 超导量子比特路线 的基础设施（System Two + Heron 系列处理器）。
对于离子阱、中性原子、光量子等其他物理实现，其在：
制冷需求（室温/4K vs 10 mK 稀释制冷）、
信号类型（激光/光子 vs 微波 RF）、
环境隔离手段
上存在本质差异，此处不涵盖。

在七层架构中的层级角色

System Two 此处描述的部分，对应 L1 基础设施与环境层。
向下（面向 L2 量子物理层）：
提供 10–15 mK 极低温、nT 级磁静默环境、高真空和机械支撑；
是超导量子比特芯片（如 Heron）的物理生存空间。
向上（面向 L3 控制与互连层）：
提供 >4,000 根 RF 信号通道；
实现与经典控制机架的 物理/热隔离 + 低延迟连接；
是大规模量子控制电子学部署的“物理底座”。

1. 核心架构：模块化六边形阵列¶

1.1 结构与设计逻辑¶

System Two 的 L1 层摒弃了 System One 的单体立方体结构，采用 六边形模块化架构 (Hexagonal Modular Architecture)。
六边形结构的优势：
可像蜂巢一样无缝拼接多个单元；
移除相邻单元之间的低温恒温器壁后，可在不同单元之间建立微波“量子桥” (Quantum Bridge)，实现 跨芯片量子互连。

1.2 物理尺寸与空间复用¶

单个 System Two 单元典型尺寸：
宽度约 22 英尺 (6.7 米)；
高度约 12 英尺 (3.7 米)。
模块化空间复用：
不仅容纳量子制冷与 QPU，还集成：
- 经典计算服务器架 (Classical Compute Racks)；
- 气体处理单元 (GHS)；
在同一六边形单元内实现 量子–经典混合计算环境的物理融合。

1.3 Quantum Bridge 的层级含义¶

物理层面（L1 结构）：
通过移除相邻单元的低温壁、增加可控微波互连通路，对制冷和机械结构做协同改造。
量子物理层面（L2 功能）：
为多个 QPU 提供 跨芯片的相干耦合通道；
使多芯片可在物理层面近似视为“单一扩展处理器”，为多芯片逻辑量子比特与大规模纠错架构打下基础。

2. 核心制冷平台：Bluefors KIDE¶

System Two 的低温“心脏”是 IBM 与 Bluefors 联合开发的 KIDE Cryogenic Platform，是当前体积和功率等级处于头部的商用量子稀释制冷平台。

2.1 制冷架构¶

三核心设计：
内部集成 3 个独立稀释制冷单元 (Dilution Refrigerator Units)，区别于传统“单冷头”架构。
极低温环境：
稳定维持 10–15 mK 混合室温度；
这是超导量子比特抑制热激发、维持基态占据的物理底线。
冷却功率与预冷：
依靠 9 个脉冲管制冷机 (Pulse Tube Cryocoolers) 提供 4K 级前级冷却；
主要用于抵消大量信号线缆与组件带来的热传导。

2.2 负载与真空空间¶

有效载荷：
冷台承载能力 最高达 500 kg；
可支撑多层磁屏蔽、辐射屏蔽以及数百个微波组件。
真空腔体设计：
自支撑真空室结构，腔体门体可直接打开；
工程师可“像进房间一样”进入内部维护硬件；
显著改善 System One 中“维护困难”的工程痛点。

3. 高密度信号传输基础设施¶

为了连接 133+ 量子比特的 Heron 处理器（以及后续 1000+ 比特处理器），System Two 的 L1 必须解决传统“钢针森林式”布线带来的热负载和空间瓶颈。

3.1 柔性带状线缆 (Flexible Ribbon Cables)¶

技术革新：
全面替代传统半刚性同轴电缆 (Semi-rigid Coax)；
形态类似笔记本电脑内部的排线，但由 超导材料 制成。
性能优势：
在极低热导率前提下，实现极高布线密度；
KIDE 平台支持 >4,000 根 RF 射频线 的 I/O 能力。
信号完整性：
柔性电路板集成低串扰设计；
微波信号可从室温稳定地传输至毫开尔文级。

3.2 层间接口视角（L3 ↔ L1 ↔ L2）¶

L3 → L1 接口（室温侧）：
来自控制电子（FPGA、AWG、微波源等）的射频/微波信号；
在室温通过高密度连接器注入柔性带状线缆。
L1 内部传输：
柔性超导排线跨越多个温度级：300K → 50K → 4K → 10mK；
在每一级冷台进行 热沉（Anchoring），分级耗散传导下来的热量；
同时保持信号幅度与相位的完整性。
L1 → L2 接口（低温侧）：
在线缆终端（10–15 mK 混合室端），排线扇出至量子芯片封装；
为每个超导量子比特提供独立的 控制/读出通道，实现逐比特寻址和测量。

3.3 对上层算法/应用的意义¶

可控比特规模：
4,000 条 RF 线 → 单 System Two 单元可 并行控制数百物理量子比特；
还预留用于读出共振器、辅助比特、校准通道等 I/O 裕量。
电路复杂度上限：
在当前 NISQ 阶段，可在同一物理系统内执行：
- 数百物理比特、上千–数千两量子门深度的 中等规模电路。
典型应用族：
为 VQE、QAOA、部分量子模拟任务等提供工程上可行的实验平台。

4. 深度环境隔离 (Advanced Isolation)¶

超导量子比特对外界干扰高度敏感，任何 磁场、振动、辐射 的波动都可能诱发退相干。System Two 在 L1 设计中采用多层次环境隔离方案。

4.1 电磁屏蔽 (Electromagnetic Shielding)¶

室温磁屏蔽：
在最外层真空罐外包覆一层或多层高导磁率材料（如 Mu-metal）；
用于“吸收”地磁场与实验室的低频磁场干扰。
低温磁屏蔽：
在 4K 和 10mK 级内部安装特制 Cryoperm 屏蔽筒；
阻挡穿透外层的残余磁场；
防止在超导电路中形成磁通涡旋 (Flux Vortices)。
System Two 额外特性：
模块化金属外壳本身构成第一层 法拉第笼，屏蔽高频 RF 干扰。

4.2 振动隔离 (Vibration Isolation)¶

脉冲管振动源：
脉冲管在运行时产生周期性机械振动；
可导致线缆微颤，进而引起相位噪声 (Microphonics)。
机械解耦：
Bluefors KIDE 平台将脉冲管马达与混合室（芯片位置）在机械上解耦；
显著降低振动能量向量子芯片的传递。
高刚性骨架：
500 kg 载重能力对应高刚性结构；
提高系统整体共振频率，不易受环境低频噪声影响。

4.3 辐射屏蔽 (Radiation Shielding)¶

黑体辐射屏蔽：
在不同温度级之间（如 50K ↔ 4K）加装多层镀金无氧铜屏蔽；
减少热辐射直接照射低温级。
宇宙射线与高能粒子：
宇宙射线撞击芯片基板可产生声子爆发，引发瞬时错误；
当前商业系统主要依靠厚金属层进行初步屏蔽；
未来 L1 可能需要类似地下实验室的深层屏蔽或专门声子陷阱设计。

5. 辅助支撑系统 (Auxiliary Systems)¶

这些“幕后英雄”通常不出现在量子芯片照片中，却是 System Two 能否 长期稳定运行 的关键。

5.1 气体处理系统 (Gas Handling System, GHS)¶

同位素循环：
管理昂贵的 He-3 / He-4 混合气体；
完成压缩、净化、循环与储存。
System Two 集成方式：
GHS 集成在六边形机柜侧面或顶部；
避免传统实验室式“满地管道”，实现近似“即插即用”的部署体验。

5.2 真空泵组 (Vacuum Pumping System)¶

功能：
降温前需将真空腔抽至极高真空（< 10⁻⁶ mbar），消除气体对流传热。
典型配置：
涡轮分子泵 (Turbo Molecular Pump) + 前级干泵 (Dry Pump) 组合；
系统进入低温后，依靠低温表面 冷吸附 (Cryopumping) 进一步提升真空度。

5.3 经典控制机架 (Classical Control Racks)¶

虽然控制逻辑归属 L3，但 机架本身和散热基础设施 属于 L1。
热管理：
控制机架功耗可达千瓦级；
采用紧凑型水冷/风冷机柜，既要与量子制冷机热隔离，又要尽量靠近以缩短微波线缆长度，降低延迟。

6. 关键参数摘要表 (L1 Specs)¶

以下参数可视为 System Two L1 在 2023–2025 阶段的 典型工程规格。后续代际产品会随处理器规模与布线技术进步而演进。

参数维度	规格数值	技术说明
基础温度	10–15 mK	混合室温度，低于宇宙微波背景，抑制热激发。
制冷平台	Bluefors KIDE	定制六边形、三冷头稀释制冷平台。
布线容量	> 4,000 RF Lines	满足 133+ 至未来 1000+ 比特 QPU 的 I/O 需求。
物理尺寸	22' (W) × 12' (H)	约 6.7 m × 3.7 m，六边形占地布局。
承载能力	500 kg	冷台有效载荷，可支撑重型屏蔽与布线。
扩展性	Quantum Bridge	支持单元间互连，构建多 QPU 超导量子集群。

7. 与其他物理路线的对比视角¶

离子阱：
一般工作在室温或 4K 高真空环境；
主要约束来自真空与激光稳定性，而非 10 mK 稀释制冷。
光量子：
以光子和线性光学网络为主；
L1 更接近传统数据中心 + 光纤与光学台基础设施。
结论：
IBM Quantum System Two 所呈现的是 “超导物理路线的 L1 原型形态”；
不能直接作为所有量子计算物理路线的通用模板。

8. 从应用视角看：L1 在整机中的作用¶

综合前述各部分，可以将 System Two L1 对上层系统与应用的作用概括为四点：

极低温热力学系统
决定物理比特的 相干时间上限；
约束单次量子电路可容忍的 门深度。
信号互连基础设施
决定可同时在线控制/读出的 比特规模与并行度；
是“当前能跑多大问题”的物理硬上限之一。
多维环境隔离
直接影响 门保真度与测量误差；
是一切误差抑制与纠错技术的“地基”。
辅助支撑系统（GHS、真空、经典机架）
决定系统是否能长时间稳定运行、维护成本是否可接受；
决定它是“实验玩具”还是可以走向 量子算力基础设施 的工程平台。