重大进展！IBM把两颗量子芯片连起来了，量子态传输保真度达99%

量子计算机要继续扩大规模，芯片之间如何连接，正在成为一个绕不开的问题。

10月27日，IBM宣布研究人员用四条长距离耦合链路，将两颗120量子比特的Nighthawk R1超导处理器连接起来。每条链路包含一根80厘米长的超导铝同轴电缆，量子态传输的平均保真度达到99.00%，最佳链路为99.29%。

研究人员还在两颗芯片的晶格量子比特之间执行了远程CZ门，平均保真度为94.75%，并制备出跨越两个模块的贝尔态、四量子比特和六量子比特GHZ态。

“这是一个里程碑，”芝加哥大学物理学家安德鲁·克利兰说，这是第一次有人把两个处理器用米级电缆真正连起来。可以说，这项研究是实现容错量子计算的关键里程碑。

模块化

过去几年，量子硬件进展多体现在单芯片上比特数量的增长。但IBM的研究人员明确指出，要实现量子计算的全部潜力，未来的路径绝不会仅仅依赖于制造更大的芯片，而是依赖于多个处理器协同工作，信息可以在芯片间自由移动。

这就是模块化量子计算机的概念。它由单个量子处理器组成，通过米级互联连接，嵌入模块化低温技术，也就是可扩展但共享低温环境的稀释冰箱。对于IBM的超导量子处理器而言，这种长程互连被称为“L耦合器”，以区别于芯片内部的短程耦合器。

而且就在今年早些时候，IBM已经推出了新的模块化低温平台，专门用于扩展这些连接处理器的量子计算机。

当然，超导量子芯片之间的米级量子连接，已有多年研究积累。

2021年，Zhong等人在《自然》发表的工作，就在相距约一米的两个超导量子节点之间实现了确定性量子态传输和多量子比特纠缠，每个节点包含三个相互连接的量子比特。2025年，Mollenhauer等人在《自然·电子学》报告了可拆卸电缆连接，利用特定泵浦方案，在不到100纳秒内实现99%水平的模块间SWAP效率。

还有芝加哥大学99%的量子态传输，并在三颗芯片上铺出12比特的最大纠缠态，等等。

IBM自身也有连续的技术积累。2024年的研究讨论了超导铝电缆的铟连接工艺；2025年的另一项研究则通过随机基准测试，报告了98.8%的远程态传输保真度和93.3%的远程CNOT门保真度。

虽然各家技术路线不完全一样，但都表明单芯片的扩展已经不够用了，模块化、互联化才是超导量子计算可扩展的重要方向。

重构互连

IBM此次公布的最新进展，核心就是“L耦合器”。这一耦合器涵盖了模块间量子操作所需的所有组件，包括连接芯片相关组件的铝制同轴电缆、它所连接的简化“l-量子比特”、连接l-量子比特与电缆的可调耦合器，以及相关的控制器。

要知道，在以前的实验室研究中，芯片和线缆的连接是很脆弱的。研究人员不仅要做到精细焊接，还要考虑把芯片放到273度的极低温环境中时，连接处是否会因为热胀冷缩而断裂。

然而，IBM这次的新成果完全不同。他们开发了一种垂直于芯片平面的“三维正交连接”方案，且采用的是柔软、粘性的超导金属铟。在安装过程中，工程师只用把电缆两端的夹具对准芯片上的特定区域，拧紧两颗螺栓，电缆末端的铟就会在压力下与芯片表面的铟垫片紧密融合，形成冷压焊连接。

这一方案的优势是具备“工业化”属性。它不需要精密的超净间手工焊接，更像是一种直接插拔的工业连接器。同时，在实验中，这套系统也展现出了不错的稳定性：在连续经历了三次完整的极低温热循环后，四个连接通道依然保持100%的正常运作。

更值一提的，这种铟压焊连接点几乎没有带来额外的微波损耗。实验表征显示，含连接点的系统在3至8Ghz频段下的性能，几乎和裸铝同轴电缆处于同一水平。

99%传输保真度

在实验互连方案时，研究团队还解决了超导铝缆在冷却过程中的磁场敏感性这个没有被系统性记录的物理难题。

铝的超导临界温度约是1.2开尔文。研究团队发现，如果电缆在冷却过程中穿过了外部静态磁场，这些磁场会以磁通涡旋的形式被“冻结”在超导体内部，从而诱发严重的能量损耗。这表明，电缆的品质因数在不同的磁场环境下冷却可能会有较大的差异。

为解决这一损耗问题，IBM团队为同轴电缆设计了一层特殊的磁屏蔽套管。基于此，四根电缆在5Ghz频段实现了约94万的平均品质因数，刷新了已组装量子互连系统的最高纪录。

也是基于这一硬件基础，研究团队对量子态转移保真度进行了基准测试。结果显示，最高保真度可达99.3%，平均保真度为99%。99%的保真度可以算是一个数据分界线，它表明，传输过程的错误率完全可以通过量子纠错来解决。

图：两个Nighthawk R1测试模块通过四个L耦合器连接

研究人员不仅测试了单向量子态的传输，还利用在不同模块间传递状态构建了远距CZ门，实现了四条链路平均94.75%的两量子比特门保真度。而且，远距CZ门的存在，使得两个模块能够生成共享的纠缠态。

研究人员甚至演示了同时使用两个L耦合器生成独立纠缠态。这证明了这套系统不仅能够传输信息，还能执行逻辑操作，这是构建分布式量子计算网络的核心能力。

此外，研究团队生成的四量子比特GHZ态，未经读出误差缓解的保真度是77.23%，缓解后为91.70%。六量子比特GHZ态分别是67.67%和90.87%。

写在最后

构建一台可扩展的模块化量子计算机，主要是要在低温单元里的单个处理单元之间，或者是相邻低温单元之间建立高保真连接。如果连接质量过差，模块化也没意义。

所以IBM这次的研究成果很重要，就重要在这是超导量子处理器首次通过多个量子通道连接，并达到了平均99%的量子态转移保真度。基于此，确定了L耦合器是量子计算机向容错范围扩展的可行方案。

当然，这还不是终点。从同行的反馈来看，业内高度肯定了IBM的工程集成能力，但也冷静审视了其距离商业化集群还存在的鸿沟。

比如，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）物理学家Wolfgang Pfaff指出，过去学界虽然做出过单条线缆的原理演示，但“关键在于IBM是用相对庞大的多比特商用级设备做到了这一点，并且它依然能够稳定有效的工作”。

Cleland表示，南方科技大学钟有鹏教授此前的研究证明，铝制线缆性能优于传统铌钛线缆。选取合适的谐振模式能够有效规避金属铟焊点的能量损耗。

不过，质疑声也不少。首先是保真度衰减和并发性能瓶颈。QuantWare物理学家Simon Storz表示，94.75%的跨芯片纠缠保真度还远远不够，无法让两颗芯片真正“无感知”地融合成一台具备容错能力的超大处理器。

而且，IBM实测数据显示，当同时激活全部四根超导线缆进行并发数据传输时，电缆之间的性能出现了明显的下降。只有4根线时这种微波串扰和寄生耦合就已显露，未来如果扩展到16根甚至64根线，如何控制线缆群之间的多模交叠将是巨大灾难。

其次是空间尺度的假性跨越。芝加哥大学物理学家Andrew Cleland等学者指出，IBM此次的实验虽然线缆长达80厘米，但两颗芯片实际上仍然呆在同一个稀释制冷机的同一块冷板上。

真正考验分布式量子计算的场景是跨制冷机互联，即芯片A在制冷机1号中，芯片B在制冷机2号中，线缆必须穿过室温屏障或通过带有主动冷却的超导热桥进行物理穿梭。只有打通跨制冷机的低温通道，算力模块才能真正打破单个制冷机的物理容积限制，实现数据中心级别的无上限横向扩展。

[1]https://www.ibm.com/quantum/blog/connecting-quantum-processors-with-l-couplers

[2]https://arxiv.org/pdf/2610.29986v1

[3]https://www.science.org/content/article/ibm-links-two-quantum-chips-key-step-toward-bigger-computers