颠覆量子计算：低温工程如何塑造2025年及以后的行业。探索推动量子系统下一个时代的关键技术、市场增长和战略机会。
- 执行摘要：低温工程在量子计算中的角色（2025–2030）
- 市场规模、增长预测及主要驱动因素（2025–2030）
- 核心低温技术：稀释制冷机、脉冲管和氦系统
- 主要参与者和战略合作伙伴（例如：Bluefors、Oxford Instruments、Quantum Machines）
- 新兴材料和先进冷却技术
- 集成挑战：可扩展性、可靠性和成本降低
- 监管标准和行业倡议（例如：IEEE、ASME）
- 区域分析：北美、欧洲、亚太趋势
- 投资环境和资金展望
- 未来展望：颠覆性创新和2030年前的市场机会
- 来源和参考文献
执行摘要：低温工程在量子计算中的角色（2025–2030）
低温工程已成为量子计算系统进展的基础支柱，尤其是在2025年至2030年间，行业进入关键增长阶段。量子处理器——特别是基于超导量子比特和自旋量子比特的处理器——需要超低温，通常低于20毫开尔文，以维持量子相干性并最小化噪声。这种需求推动了低温基础设施的快速创新和投资，专用的稀释制冷机和低温设备成为量子计算堆栈的基本组成部分。
领先的量子硬件开发商，如IBM、Bluefors和Oxford Instruments正处于将先进的低温系统集成到其量子平台的最前沿。IBM公开展示了其“Goldeneye”稀释制冷机，旨在支持数千个量子比特的量子处理器，突显了下一代低温工程的规模和复杂性。芬兰公司Bluefors被认为是商业稀释制冷机的全球领导者，为世界各地的主要量子计算项目提供系统。Oxford Instruments在为研究和工业量子计算应用提供定制的低温解决方案方面也发挥着重要作用。
预计从2025年起，量子处理器将大规模扩展，行业领袖的路线图指向具有数百到数千个量子比特的设备。这一扩展加剧了对强大、可靠和可扩展低温平台的需求。关键的工程挑战包括管理控制线路带来的增加的热负荷、确保振动隔离和自动化低温设备操作以实现持续运行。各公司正在通过创新，例如低温兼容电子设备、模块化低温设备设计和改进的热管理系统来应对这些挑战。
量子硬件公司与低温专家之间的合作正在加速。例如，IBM与Bluefors宣布共同努力开发能够支持大规模量子系统的下一代低温基础设施。此外，像Oxford Instruments这样的供应商正在扩展其产品线，以满足量子计算的独特要求，包括更高的制冷能力和增强的系统集成。
展望2030年，低温工程在量子计算中的前景被持续增长和技术精炼所标志。随着量子计算机从实验室原型转向商业部署，低温行业将在实现可靠、可扩展和经济高效的量子技术方面发挥决定性作用。未来五年，预计将见证低温供应商之间的进一步整合、自动化水平的提高，以及针对量子计算不断变化需求的标准化平台的出现。
市场规模、增长预测及主要驱动因素（2025–2030）
面向量子计算系统的低温工程解决方案市场预计在2025年至2030年间将显著扩展，推动因素包括量子硬件的快速演变和对超低温环境日益增长的需求。量子计算机，尤其是基于超导量子比特和自旋量子比特的计算机，要求在接近绝对零度的温度下稳定运行，通常在毫开尔文范围内。这种必要性使低温工程成为量子计算行业的关键推动者。
截至2025年，全球量子计算行业正面临来自公共和私人实体的加速投资，其中低温基础设施占新量子数据中心和研究设施资本支出的相当大一部分。领先的量子硬件开发商，如IBM、Google和Rigetti Computing依赖于先进的稀释制冷机和低温设备来维持其量子处理器的操作完整性。这些系统的需求预计将随着量子处理器从几十个扩展到数百甚至数千个量子比特而同步增长。
低温工程市场的主要供应商包括Bluefors，这是一家因其高性能稀释制冷机而受到认可的芬兰公司，以及Oxford Instruments，这是一家拥有广泛低温和超导技术组合的英国制造商。这两家公司都报告了来自量子计算客户的订单增加，并正在扩展其生产能力以满足预期的需求。Cryomech和Linde也是值得关注的重要参与者，为大规模量子安装提供低温冷却器和氦液化系统。
多个因素推动着市场在2030年前的增长：
- 量子处理器的持续扩展，要求更大和更复杂的低温系统。
- 政府和行业投资于国家量子计划，通常包括对低温基础设施的资金支持。
- 低温技术的技术进步，比如改善的制冷能力、更低的振动和自动化，降低了运营成本和复杂性。
- 量子云服务的出现，要求为远程量子访问提供强大且可靠的低温平台。
展望未来，面向量子计算的低温工程市场预计将保持两位数的年增长率，随着生态系统的成熟，新的参与者和合作伙伴关系也会随之涌现。焦点将越来越多地转向能源效率、系统集成和可扩展性，因为量子计算机从实验室原型转向商业规模部署。
核心低温技术：稀释制冷机、脉冲管和氦系统
低温工程是量子计算系统的基础，因为基于超导电路、自旋量子比特及其他模式的量子比特（qubit）需要超低温（通常低于20毫开尔文）来维持相干性并最小化热噪声。到2025年，该领域在核心低温技术方面见证了快速的进展，尤其是在稀释制冷机、脉冲管低温机和氦管理系统方面，这些都是扩展量子处理器所必需的关键组件。
稀释制冷机仍然是实现超导和基于自旋的量子比特所需的毫开尔文温度的黄金标准。领先制造商如Bluefors和Oxford Instruments推出了新型号，具有更高的制冷能力、更大的实验容量和改进的线路集成，以支持具备数百甚至数千个量子比特的量子处理器。例如，Bluefors最新的系统设计旨在容纳量子硬件日益增长的复杂性，提供模块化和自动化功能，以减少停机时间并促进远程操作——这一因素正变得越来越重要，因为量子计算研究在全球范围内变得更加分散。
脉冲管低温机如今已成为首选的预冷技术，因其可靠性和降低的运营成本而取代了传统液氦槽系统。像Cryomech和住友重机械工业（Sumitomo Heavy Industries）等公司提供脉冲管冷却器，这些冷却器被集成到稀释制冷机系统中，使得无需频繁添充冷却剂即可实现连续、振动最小化的冷却。这种转变对研究和商业量子计算部署至关重要，系统的正常运行时间和维护成本是关键考虑因素。
氦管理仍然是一个重大挑战，因为氦-3和氦-4同位素的稀缺和成本。为此，系统集成商和供应商正在开发闭合循环氦回收和液化系统，以最大限度地减少损失并确保可持续操作。Oxford Instruments和Bluefors都在投资氦回收解决方案，同时还优化他们的制冷机以降低氦的消耗。
展望未来，未来几年预计将进一步整合低温工程与量子控制电子设备，正如英特尔和IBM等公司追求低温CMOS和其他低温电子设备，以减少线路复杂性和热负荷。先进低温技术、自动化和可扩展基础设施的融合将是从实验室规模量子设备过渡到商业可行的量子计算系统的关键。
主要参与者和战略合作伙伴（例如：Bluefors、Oxford Instruments、Quantum Machines）
2025年，量子计算系统的低温工程格局由少数专业公司和日益增长的战略合作伙伴关系网所定义。这些合作对于推动量子计算机的规模、可靠性和集成至关重要，量子计算机需要超低温环境以运行超导量子比特和其他量子设备。
Bluefors，总部位于芬兰，是稀释制冷机制造的全球领导者，这是量子计算的核心低温平台。其系统在学术和工业量子计算实验室中得到广泛应用，因其可靠性和模块化而享有盛誉。近年来，Bluefors扩展了其产品线，以满足对更大和更复杂的低温系统的日益增长的需求，这些系统能够支持数百甚至数千个量子比特。该公司还与量子硬件开发商和国家实验室建立了高调的合作关系，旨在共同开发旨在满足可扩展量子处理器的下一代低温基础设施。
另一家主要参与者Oxford Instruments，总部位于英国，继续在量子技术的低温和测量解决方案方面进行创新。Oxford Instruments提供一系列无冷却稀释制冷机和集成测量系统，并积极与量子计算初创公司和成熟的技术公司进行合作。其近期关注的重点包括自动化、远程监控和与量子控制电子设备的集成，反映出行业对更加用户友好和可扩展的量子平台的推动。
在电子和控制方面，来自以色列的Quantum Machines已经成为Bluefors和Oxford Instruments的关键合作伙伴。Quantum Machines专注于量子编排平台——将硬件和软件堆栈与低温系统接口以控制和读取量子比特。其解决方案越来越多地与低温硬件捆绑在一起，使最终用户能够部署更完整、即插即用的量子计算堆栈。预计Quantum Machines与低温系统制造商之间的战略联盟将深化，因为在控制电子设备和低温环境之间实现无缝集成将成为扩展量子计算机的关键要求。
其他值得注意的公司包括Linde，它提供低温气体和基础设施，以及JanisULT，这是一家Lake Shore Cryotronics的子公司，提供针对量子研究的定制低温解决方案。这些公司越来越多地与量子硬件开发商合作，以解决热管理、线路密度和系统自动化等挑战。
展望未来，未来几年可能会看到进一步的整合和以合作伙伴关系驱动的创新，因为量子计算从实验室原型转向早期商业部署。低温工程专家与量子硬件公司的互动将对克服大规模容错量子计算的技术障碍至关重要。
新兴材料和先进冷却技术
低温工程是量子计算的基石，因为大多数量子处理器——特别是基于超导量子比特的处理器——需要在接近绝对零度的温度下运行。到2025年，该领域在材料和冷却技术方面经历了快速创新，由量子硬件开发商的扩展雄心和对更高系统可靠性与效率的需求所推动。
一个关键趋势是改进和部署先进的稀释制冷机，这些冷却器对于维持领先量子处理器所需的低于20毫开尔文的环境至关重要。像Bluefors和Oxford Instruments这样的公司处于这一创新的前沿，提供适用于多量子比特系统的模块化、高容量低温设备。这些系统正在针对更高制冷能力、改善热稳定性，并更易于与复杂线路和控制电子设备集成而进行设计，以应对将量子处理器扩展到数百或数千个量子比特所带来的挑战。
新兴材料在这方面也发挥着关键作用。高纯度金属、低损耗电介质和先进超导体正在被采用，以最小化热噪声和去相干。例如，铌钛合金和高纯度铜在低温线路和屏蔽中的使用正变得标准化，因为这些材料在毫开尔文温度下提供卓越的热导率和电磁屏蔽。此外，对新型超导材料和表面处理的研究旨在进一步减少能量损耗并延长量子比特的相干时间。
另一个创新领域是将低温兼容电子设备，如放大器和多路复用器，直接集成到低温设备中。像英特尔和IBM这样的公司正在积极开发低温CMOS和其他低温电子设备，以减少冷却剂环境与室温之间长线路所带来的热负荷和信号衰减。随着量子处理器复杂性的增加，其需要更复杂的控制和读取基础设施，这一方法预计将变得越来越重要。
展望未来，未来几年可能会在材料科学和低温工程方面有进一步的进展。对更大、更可靠的量子系统的追求正在推动对甚至更高效冷却解决方案的需求，如闭合循环稀释制冷机和新型低温机设计。量子硬件开发商、低温设备制造商和材料科学家之间的协作将对克服下一代量子计算机的热和工程挑战至关重要。
集成挑战：可扩展性、可靠性和成本降低
低温工程是量子计算的基石，使超导量子比特和其他量子设备所需的超低温得以实现。随着量子计算行业迈入2025年，关于可扩展性、可靠性和成本降低的集成挑战在研究和商业开发中处于前沿。
可扩展性仍然是一个主要障碍。目前的量子处理器，例如由IBM和Bluefors（稀释制冷机的领先供应商）开发的处理器，需要复杂的低温系统来维持低于20毫开尔文的操作温度。随着量子处理器从数十个扩展到可能的数千个量子比特，低温线路、热管理和屏蔽的物理大小和复杂性呈指数级增加。像Bluefors和Oxford Instruments等公司正在积极开发模块化和更高容量的低温设备，以满足这些需求，并最近宣布了为多量子比特阵列和集成控制电子设备设计的系统。
可靠性是另一个关键问题。量子计算机必须在低温下持续运行，通常持续数周或数月，以支持研究和商业工作负载。即使是轻微的温度波动或振动也可能影响量子比特的相干性。为此，制造商正在投资于先进的振动隔离、自动化热循环和远程监控。Oxford Instruments推出了具有更高正常运行时间和可服务性的低温平台，而Bluefors则与量子硬件开发者合作，共同设计可最小化停机时间和维护的系统。
降低成本对于更广泛的采用至关重要。传统的稀释制冷机在资本和运营支出方面都很昂贵，原因在于其复杂性和对专业基础设施的需求。作为回应，行业领导者正在追求创新，如低温兼容电子、紧凑型低温设备和更高效的制冷循环。IBM已公开讨论减少其低温系统的占地面积和成本的努力，作为其量子路线图的一部分，旨在使量子计算对研究机构和企业更具可获取性。
展望未来，未来几年预计将进一步整合低温与量子硬件，专注于模块化、自动化和混合冷却解决方案。低温专家与量子硬件公司之间的合作伙伴关系预计将加速，推动系统可靠性和成本效益的提高。随着量子生态系统的成熟，低温工程的演变将成为实现实际大规模量子计算部署的关键。
监管标准和行业倡议（例如：IEEE、ASME）
量子计算的快速发展对低温工程提出了前所未有的要求，迫切需要健全的监管标准和协调的行业倡议。截至2025年，行业正在积极努力正式化指南和最佳实践，特别是在量子处理器越来越依赖于稀释制冷机和超低温系统以实现稳定运行的背景下。
主要标准组织，例如IEEE和ASME，正积极参与开发解决量子计算低温系统独特要求的框架。IEEE，例如，建立了专注于量子技术的工作组，包括IEEE量子倡议，该倡议正在与行业利益相关者合作，以定义低温硬件的互操作性、安全性和性能基准。这些努力预计在未来几年将产生新的技术标准，草案指南预计将在2025年底之前进行公开审查。
同样，ASME正在利用其在压力容器和低温管道规范方面的专业知识，调整现有标准以满足量子计算基础设施的特殊需求。ASME锅炉和压力容器规范（BPVC）和B31.3过程管道规范已经被引用，并在必要时更新，以确保与量子低温学中遇到的材料和操作条件的兼容性。行业反馈通过技术委员会进行征集，重点是统一稀释制冷机及相关设备的安全协议和检查程序。
在行业方面，领先的低温设备制造商如Bluefors和Oxford Instruments参与了这些标准化努力，贡献从现场部署收集的数据，并在系统集成和维护的最佳实践方面进行合作。这两家公司还与量子计算公司展开联合倡议，以确保低温平台满足下一代量子处理器在可靠性和可扩展性方面的需求。
此外，像量子经济发展联盟（QED-C）这样的财团正在促进跨行业对话，将硬件供应商、量子计算公司和标准机构聚集在一起，以加速统一指南的采用。这些倡议预计将在塑造监管环境方面发挥重要作用，目标是减少部署障碍并促进全球互操作性。
展望未来，未来几年可能会看到量子计算量身定做的低温工程标准的正式化，越来越强调安全性、可靠性和环境可持续性。随着量子系统规模的扩大，遵守这些不断演变的标准将对于确保操作卓越和支持量子技术的更广泛商业化至关重要。
区域分析：北美、欧洲、亚太趋势
量子计算系统的低温工程区域格局正快速演变，截至2025年，北美、欧洲和亚太每个地区表现出独特的趋势和战略优先事项。
北美在量子计算的低温工程方面仍处于最前沿，主要得益于主要技术公司的存在和专业供应商的强大生态系统。特别是，美国是领先的量子硬件开发者如IBM和Google的发源地，两家公司在稀释制冷机技术和超低温基础设施方面进行了大量投资。像Bluefors和Cryomech等公司为支持这些努力提供先进的低温设备。该地区受益于强大的政府资助和公私合作伙伴关系，美国能源部和国家科学基金会支持量子研究和基础设施开发。在加拿大，D-Wave Systems等公司也在推动量子退火器的低温集成。
欧洲正在加大对低温工程的关注，受益于欧盟的量子旗舰倡议以及德国、荷兰和芬兰等国的国家计划。欧洲的低温专家如Oxford Instruments和Bluefors（总部位于芬兰）是量子计算实验室和初创企业稀释制冷机和低温平台的关键供应商。该地区正在见证学术界和工业界之间的合作增加，研究中心和公司共同努力开发可扩展、可靠的低温系统。2025年及以后的展望包括进一步投资本地制造和供应链，以减少对进口的依赖，并增强技术主权。
亚太正在崛起为一个充满活力的增长地区，中国、日本和韩国在量子计算基础设施（包括低温工程）上进行了大量投资。中国科技巨头和研究机构正在开发本土低温解决方案，以支持国家量子计划。日本成熟的电子行业，如NEC Corporation，也在探索适用于超导量子比特的先进低温系统。澳大利亚因在基于硅的量子技术方面的研究而声名显赫，这些技术需要专门的低温环境。预计该地区将迅速扩大本地低温制造能力，并与全球供应商增加合作。
在所有地区，未来几年可能会看到加强努力，以提高低温系统的效率、可扩展性和自动化程度，因为量子计算从实验室原型向商业部署迈进。低温组件的全球供应链预计将变得更加互联，各地区的中心将专注于低温工程和系统集成的不同方面。
投资环境和资金展望
量子计算系统中低温工程的投资环境正经历显著的动力，因为量子技术行业逐渐成熟并接近商业可行性。低温基础设施——对维持超导和自旋基量子处理器所需的超低温至关重要——已成为私人和公共资金倡议的重点。2025年，该行业的特征是由一些成熟的工业参与者、量子硬件初创企业及与政府机构的战略合作伙伴关系组成的多元化生态。
主要低温设备制造商，如Oxford Instruments和Bluefors，继续吸引投资并扩大生产能力，以满足量子计算公司和研究机构的日益增长的需求。Oxford Instruments凭借在稀释制冷机方面的长期专业知识，报道了来自商业和学术量子计划的订单增加。作为量子应用的低温系统领先供应商，Bluefors宣布了新场地扩展和与量子硬件开发者的合作，反映出行业的强劲增长轨迹。
对低温工程初创企业的风险资本和企业投资也在加速。像Cryomech和Linde这样的公司正在利用他们的低温技术专业知识，开发适用于可扩展量子处理器的下一代冷却解决方案。这些公司越来越多地成为针对目标融资轮的接受者，通常与寻求垂直整合其供应链的量子计算硬件初创公司共同进行。
政府资金仍然是一个关键驱动因素。美国、欧盟和亚洲的国家量子计划正在分配大量资源用于低温基础设施，作为更广泛的量子技术路线图的一部分。例如，欧盟的量子旗舰计划和美国的国家量子倡议正在支持包括低温工程作为核心组成部分的合作项目，促进公私合作伙伴关系和技术转移。
展望未来几年，量子计算中的低温工程资金展望预计将保持强劲。量子处理器的扩展——从几十个到数百或数千个量子比特——将需要更先进、可靠和经济高效的低温系统。这可能会进一步推动研发、制造能力和供应链韧性的投资。随着量子计算更接近实际部署，低温工程的战略重要性将继续吸引传统工业参与者和新进入者的资本，确保一个动态和有竞争力的投资环境延续到2020年代末。
未来展望：颠覆性创新和2030年前的市场机会
量子计算系统的低温工程的未来预计将在2030年前发生重大变革，推动力是对可扩展、可靠和经济高效的冷却解决方案的需求不断上升。由于量子处理器——尤其是基于超导量子比特和自旋量子比特的处理器——需要在毫开尔文温度下运行，低温行业正在快速创新，以满足量子硬件的独特需求。
主要行业参与者正在大量投资下一代稀释制冷机和闭合循环低温设备。Bluefors，作为低温系统的全球领导者，继续扩展其产品线，推出适用于大规模量子处理器的模块化高容量制冷机。他们近期与量子计算公司和研究机构的合作突显了向集成、即插即用低温平台转变的趋势。同样，Oxford Instruments正在推进其Proteox系列，专注于自动化、远程监控和增强热稳定性，以支持多量子比特扩展并减少系统停机时间。
新兴的颠覆性创新包括开发低温兼容电子设备和光子学，旨在最小化低温设备内部的热负荷和线路复杂性。像英特尔这样的公司正在积极研究低温CMOS控制器，这可能使得在低温下更高效地控制和读取量子比特，从而减少对大量室温电子设备的需求。此外，正在探索用于低温环境的光子互连的集成，以促进量子芯片与经典控制系统之间的高带宽、低损失通信。
预期在2030年前市场将从定制的研究型低温设备转向标准化、可批量生产的平台。这一转变预计将降低成本并加速量子计算机在商业和云环境中的部署。IBM和Leiden Cryogenics等公司正致力于可扩展基础设施，以支持量子数据中心，强调能源效率和操作可靠性。
展望未来，低温工程与先进材料、基于人工智能的系统优化和可持续冷却技术相结合，可能会开启新的市场机会。对环保制冷剂和减少能耗的推动与更广泛的行业可持续发展目标相一致。随着量子计算向实际应用迈进，低温行业有望成为量子技术供应链的重要组成部分，预期将在下一个十年内实现强劲增长和颠覆性创新。
来源和参考文献
- IBM
- Oxford Instruments
- Bluefors
- Rigetti Computing
- Cryomech
- Linde
- Bluefors
- Oxford Instruments
- Cryomech
- IBM
- JanisULT
- IEEE
- ASME
- NEC Corporation
- Linde
