宇宙中最寒冷的地方并非位于遥远的星球或星系间的虚空，而是在地球上的实验室里。根据 Space.com 的数据，太空深处的温度约为 2.7 开尔文（约零下 270.45 摄氏度）。相比之下，IBM 的量子计算设备能将内部温度降低至比深空低 180 倍的程度，这一数值仅比绝对零度高出毫厘。
为何要让机器达到如此极端的低温？这主要关乎其核心组件——量子比特（qubits）的特性及其对热能的敏感性。
量子比特与传统比特的区别
常规计算机使用比特进行计算，这些微小的开关状态非 1 即 0，相当于“开”或“关”。而量子比特更像是一个表盘而非简单的开关，它可以在开启和关闭之间保持多种不同的位置。如果将传统比特比作电灯开关，量子比特则类似于调光器。每个量子比特都有传递信息的特定方向，能够同时容纳多个值。
此外，量子比特之间存在纠缠特性，即一个量子比特的状态变化会即时影响其他连接的量子比特，如同旋转一个表盘带动其他表盘移动。量子计算机通过算法运行，利用这种特性抵消错误答案并保留正确结果。然而，量子比特极其敏感，任何外部干扰都会扩散至所有答案中，增加出错概率，因此需要极低的温度环境来维持稳定。
热能如何破坏量子态
理解量子计算机为何需要极寒条件，首先要明确热量的本质：热量是以运动形式存在的能量。当物体吸收能量时，其分子振动加快，表现为温度升高。对于量子比特而言，即使是微小的热能输入也足以使其失去量子态，这种现象被称为“退相干”，会导致计算准确性下降。接触的能量越多，计算误差越大。因此，IBM 及其他量子计算公司致力于将系统冷却至尽可能接近绝对零度。
稀释制冷器的工作原理与挑战
量子计算机外观常似科幻风格的吊灯，其核心部件是稀释制冷器。这是一组堆叠的金属板，每一层都比上一层更冷，顶部处于室温，底部则是处理器所在的最低温区。然而，控制量子比特的电线需从室温延伸至低温区，导致热量传导。这里存在一个悖论：量子比特数量越多，所需电线越多，随之引入的热量也越高。
并非所有量子计算机都依赖巨型冰箱
虽然低温至关重要，但并非所有技术路径都围绕大型制冷设备构建。例如，QuEra 制造的中性原子量子计算机将单个原子困在小型真空室中，利用激光将其冷却至微开尔文级别，而室内墙壁及周边设备保持室温。由于无需大量导线连接低温核心，传统的导热问题得以缓解。同样，使用光子作为量子比特的机器，许多组件可在室温下运行，尽管单光子探测器仍需冷却。不同技术路线各自解决了冷却难题，但也带来了如捕获数千个原子或可靠检测单个光子等新挑战。
对加密安全与比特币的影响
一旦散热问题解决且量子计算机具备实用可靠性，它将带来显著收益与潜在风险。量子计算机并非在所有任务上均优于经典计算机，但在模拟分子结构以研发新药等特定问题上，速度可能提升数个数量级。与此同时，它们也可能破解用于保护用户登录信息及比特币交易的公钥加密体系。
谷歌量子人工智能团队在 2025 年的一项估算指出，破解标准 RSA-2048 密钥所需的含噪声量子比特数已降至 100 万以下，远低于 2019 年预估的 2000 万。而在 2026 年的一篇谷歌论文中，针对比特币签名方案的这一数字进一步压缩至不足 50 万。鉴于目前机器仅拥有数百到数千个量子比特，此类威胁短期内不会成真。此外，防御措施已在推进：美国国家标准与技术研究院（NIST）已于 2024 年 8 月敲定首批后量子加密标准，并宣布其具备立即使用的条件。
当前，量子计算面临的最大挑战并非其应用潜力，而是如何将系统维持在足够低的温度以确保稳定运行。
