构建更大规模的量子计算机，并非简单地在芯片上增加更多量子比特（qubit）即可实现。随着系统规模扩大，工程师必须同时应对与量子比特相连的所有外围设备与基础设施。
当前主流的超导量子计算机中，生成控制信号的大部分经典电子设备仍置于室温环境。这些信号需通过电缆进入稀释制冷机，并逐级穿越多个温区，最终抵达工作在毫开尔文（millikelvin）温度下的量子比特。随着量子比特数量持续增长，配套的经典电子基础设施也随之急剧膨胀。
“制冷机主要冷却的是布线本身。”量子控制企业SEEQC联合创始人兼首席战略官奥列格·穆哈诺夫（Oleg Mukhanov）向《EE Times》表示。问题不仅在于物理线缆数量庞大——每根线缆都可能将热量导入制冷腔体，并需在不同温区配置连接器、滤波器、衰减器及热沉结构；此外，可调耦合器、频率调节等功能还需额外线路支持。
连接器在反复冷热循环中易发生失效；模拟控制脉冲从室温波形发生器经信号链传输至低温端时，也可能出现失真，工程师不得不预先对信号进行补偿性畸变处理。穆哈诺夫还指出，磁控信号还可能在相邻器件间引发串扰问题。
因此，一个日益受到关注的解决方案是：将更多经典电子设备移近量子处理器。麻省理工学院教授威廉·奥利弗（William Oliver）等研究人员已深入探讨了超导量子比特系统扩容过程中，低温封装、信号传输路径及控制架构应如何演进。
SEEQC已率先验证该思路的一种实现方式。今年3月发表于《自然·电子学》（Nature Electronics）的一篇论文中，研究团队将单通量量子（SFQ）控制电路与量子比特集成于多芯片模块内。借助数字解复用技术，单路控制脉冲可被分发至多个量子比特，从而打破传统“一对一”控制线与量子比特的绑定关系。实验结果显示，单量子比特保真度普遍高于99%，最高达99.9%。
哪些电子器件适合置于低温环境中？
然而，将电子器件移入制冷腔体又引出新问题：究竟哪些类型器件适合部署于低温端？低温CMOS技术具备数十年半导体工艺积累优势，可实现复杂的数字、模拟、混合信号及存储功能。但为满足高速量子比特操控与读取需求而提升其性能时，功耗亦随之显著上升。
“你可以将低温CMOS电路设计得功耗极低，”芬兰初创企业S-Transistors联合创始人兼CEO赫奥尔希·博胡斯拉夫斯基（Heorhii Bohuslavskyi）表示，“但若要维持量子比特所需的性能水平，其功耗将不可避免地升高。”
这一权衡在制冷腔体更深层区域尤为关键——此处可用冷却功率随温度下降呈指数级衰减。温度越低，冷却能力越稀缺，因此紧邻量子处理单元（QPU）布置的电子器件，其功耗控制显得至关重要。
超导SFQ电子器件则呈现相反的权衡特性：基于约瑟夫森结的电路可在极低能耗下实现超高速运行，特别适合数字处理任务。但博胡斯拉夫斯基指出，传统两端约瑟夫森结在模拟、混合信号、存储及其他功能方面灵活性有限。
正是这一技术空白，成为新成立的芬兰初创公司S-Transistors着力突破的方向。
这家源自芬兰国家技术研究中心（VTT）的衍生企业，已于8月宣布完成260万欧元种子前轮融资，用于开发基于超导晶体管的集成电路。
不同于传统两端约瑟夫森结，S-Transistors采用一种带第三栅极终端的平面约瑟夫森结结构。该栅极可通过电场调控超导通道特性，使工程师能灵活调节临界电流、约瑟夫森电感等参数，而无需依赖局部磁场或加热手段。
据博胡斯拉夫斯基介绍，其目标是融合半导体晶体管的多功能性与超导电子器件的超低功耗优势。“我们相信，可以真正汲取二者之长，将其整合于单一固态器件之中。”
长远来看，S-Transistors构想了一种被称为“毫开尔文级量子主板”的集成平台，其中将集成围绕QPU所需的大部分输入/输出接口、信号路由、控制逻辑、读出电路乃至其他功能模块。
先从线缆入手
不过，该公司现阶段目标更为聚焦：计划开发基于超导晶体管的时域与频域复用/解复用器，首批产品预计于2027年面世。此类器件可允许多路信号共享物理连接，从而大幅减少进入量子计算机最冷区域的物理线缆数量。
此举所针对的瓶颈，与SEEQC采用SFQ解复用技术的目标一致，仅在器件架构层面存在差异。
穆哈诺夫表示，他熟悉S-Transistors团队，并认可其技术路线的潜在价值，尤其在不同低温技术需协同工作的场景中。“我认为他们的工作极具实用价值，未来有望实际部署。”他将超导晶体管描述为一种可能的“增强型技术”。
例如，超导晶体管可作为超导电路与低温CMOS之间的接口桥梁——因SFQ电路在高密度存储能力方面不及CMOS。
博胡斯拉夫斯基则展望更广泛的应用前景：他认为超导晶体管最终可承担模拟与混合信号处理、信号路由、控制逻辑及存储等多种功能。但他同时强调，未来量子控制系统必然是异构化的。“各类技术都将找到自己的定位”，包括低温CMOS与SFQ技术。
因此，最终挑战或许并非在单一低温电子技术中择一胜出，而是精准界定每种技术最适合部署的温区及其在整体控制链中的层级位置。
从晶体管迈向集成电路
S-Transistors仍面临显著技术跨越：公司称其技术已在150毫米晶圆上实现约98%的器件良率，并正向200毫米工艺过渡。但单个超导晶体管在晶圆级的稳定制造，与构建复杂、可靠的集成电路之间仍存在巨大鸿沟。
博胡斯拉夫斯基坦承此点。其规划中的复用器在电路级的功耗与性能数据目前仍属估算值，尚待实验验证。
另一项挑战令人意外地熟悉——来自传统半导体行业的设计工具缺失问题。S-Transistors正开发紧凑型器件模型与工艺设计套件（PDK），以期未来能借助工业级EDA工具开展超导晶体管电路设计。博胡斯拉夫斯基警告称，缺乏标准化工具将导致电路开发退化为“一群物理学家在白板上绘图，再徒手转译到硅片上”的低效模式。
从有前景的器件物理原理，迈向可重复的电路设计与量产制造流程——这一转变的重要性，或许不亚于晶体管本身的创新。
与此同时，S-Transistors所瞄准的扩展瓶颈并不会随量子比特数量增长而自行消解。更大规模的容错量子系统不仅需要更多控制信号，还要求高速读出与持续的量子纠错能力。
穆哈诺夫指出，部分数据处理终将需在靠近QPU的位置完成，而非将所有测量结果回传至室温端处理。本地化处理可显著降低延迟并减少流出制冷机的数据量。
换言之，量子计算下一阶段的扩展挑战，或将越来越多地落在量子比特之外的控制电子学领域。
将更多电子器件置入低温环境只是解决方案的一部分；真正难点在于：构建能在该环境下高效执行任务、又不挤占宝贵制冷资源的电子系统。
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