量子计算机需要在绝对零度附近工作，太空中没有太阳的一面也是绝对零度。把主机搬到太空中如何？
这是一个非常有意思的设想，将量子计算机的主机搬到太空中，尤其是在没有太阳照射的区域，以期利用其接近绝对零度的环境。这个想法背后蕴含着对量子计算运行环境的深刻理解和对太空极端条件的巧妙利用。我们来仔细剖析一下这个方案的可行性和潜在的挑战，力求生动形象地展开讨论，如同一个充满好奇心的技术爱好者在探索一个大胆的构想。
量子计算机与绝对零度的不解之缘
首先，我们要明白为什么量子计算机对低温如此“执着”。量子计算机的核心在于量子比特（qubit），这些微小的实体承载着信息，并且能够同时处于多种状态（叠加态）并相互纠缠。然而，量子比特极其脆弱，对外界环境的干扰非常敏感。任何微小的热扰动，哪怕是电子在材料中随机的振动，都可能导致量子比特的状态“坍缩”，丢失其珍贵的量子信息，这也就是所谓的“退相干”。
绝对零度（273.15摄氏度或0开尔文）是理论上的最低温度，在这个温度下，物质的粒子几乎完全停止运动。量子计算机之所以需要接近这个温度，是为了最大限度地抑制这些热扰动。通过将量子比特冷却到接近绝对零度，我们可以极大地延长量子信息保持其叠加态和纠缠态的时间，从而获得更长的“相干时间”，这是进行有效量子计算的关键。想想看，就好比你要在一个极其安静的环境里仔细聆听一个极其微弱的声音，任何一点点杂音都会毁了你的聆听体验。绝对零度就是为量子计算机提供的最接近“无声”的环境。
目前，我们通常使用昂贵的、复杂的制冷设备，如稀释制冷机，来达到纳开尔文（十亿分之一开尔文）级别的低温。这套设备体积庞大、能耗惊人，并且需要持续的维护和运行。
太空的诱惑：一个天然的冷藏室？
现在，让我们把目光投向浩瀚的太空。太空，尤其是远离任何恒星直接照射的深空区域，确实是一个极其寒冷的真空环境。在那里，没有大气层来吸收和传递热量，也没有地表岩石或海洋来散发热量。物体只能通过辐射来散失热量。如果一个物体没有任何热源，并且处于一个没有热辐射源的环境中，它的温度自然会趋向于宇宙微波背景辐射的温度，大约是2.7开尔文。这个温度虽然不是绝对零度，但已经比我们目前的制冷技术能够轻松达到的温度要低得多，而且它是一个“天然的”低温环境。
那么，将量子计算机的主机搬到太空中，是不是意味着我们可以省去那些庞大而复杂的制冷设备，省去巨额的运行成本和能源消耗呢？这个想法听起来确实非常吸引人。
挑战与考量：这不是一次简单的搬家
然而，将一个需要极端精细操作的量子计算机主机搬到太空中，并非一次简单的“搬家”，而是要克服一系列巨大的技术挑战，而且很多挑战的难度可能比我们在地球上解决制冷问题还要大。
1. 极端的真空环境与材料的适应性：
太空是一个接近完美的真空环境。虽然这对于隔绝热量很有好处，但同时也意味着没有空气压力。地球上的电子设备设计是基于大气压力存在的。许多组件，尤其是封装的半导体芯片，在真空环境下可能会出现一些意想不到的问题，例如材料的挥发性。一些塑料或粘合剂在真空中可能会释放出气体，这些气体可能会污染量子处理器本身，对微观的量子比特造成干扰。
反过来，如果量子计算机主机需要某种“环境介质”来传递信号或进行冷却（即使是极低的温度），太空的真空将是一个巨大的障碍。例如，如果需要冷却介质循环，真空将阻止其正常流动。
2. 热量的散失与控制：
虽然太空本身是冷的，但量子计算机主机本身就是一个“发热体”。即使它是一个低功耗设备，它的内部工作也会产生热量。这些热量需要被有效地从量子处理器区域带走，并散发到周围的真空中。
在地球上，我们可以通过对流和传导来辅助散热。在太空中，我们只能依赖辐射散热。这意味着需要设计一种能够高效地将内部产生的热量以辐射形式传递出去的系统。这同样需要精密的工程设计，可能需要特殊的散热板、涂层，甚至是一个主动的冷却循环系统来将热量从核心区域传输到外部辐射面。
更重要的是，如果量子计算机需要以某个特定方向对准地球或某个通信节点，那么即使是深空也可能存在来自这些方向的热辐射源。如何精确地屏蔽或控制这些外部热源的引入，将是另一个难题。
3. 辐射的威胁：宇宙射线的侵袭
太空是一个充满高能粒子的“辐射浴场”。宇宙射线、太阳风粒子等高能辐射能够穿透物质，并在电子设备中引发各种“错误”，例如数据翻转（bit flip）或更复杂的故障。对于极其敏感的量子比特来说，这种辐射的干扰可能是灾难性的，它会瞬间破坏量子态。
虽然地球有厚厚的大气层和磁场作为天然屏障，太空中的量子计算机将完全暴露在这些高能粒子的威胁之下。我们需要设计极其厚重且复杂的屏蔽层来保护量子处理器及其支持系统。然而，厚重的屏蔽层会增加发射的成本和复杂性，并且也可能影响到内部热量的有效散失。这就像一边要挡住子弹，一边又要保证空调的冷气能散出去。
4. 通信的挑战：信号的往返
量子计算机的强大之处在于其处理信息的能力，但最终这些信息需要被传输回地球，或者与地球上的其他计算资源进行交互。太空中的信号传输会受到距离、信号衰减、干扰以及通信窗口的限制。
由于太空通信需要精确的指向和强大的发射功率，保持与地球的稳定、高速连接将是巨大的挑战。而且，量子纠缠是需要通过物理信号来建立和维持的，长距离的量子通信本身就是一个前沿的研究领域。
5. 维护与升级：遥不可及的维修站
与地球上的设备不同，一旦将量子计算机主机部署到太空，任何的维护、维修或升级都将变得极其困难，成本高昂，甚至是不可能的。任何一个关键组件的故障，都可能导致整个系统失效。这需要极高的可靠性设计，并且要考虑到几乎所有可能的失效模式，并尽可能地设计冗余系统。
6. 发射与部署的成本与复杂性：
将任何设备送入太空，尤其是具有高度精密和敏感结构的量子计算机主机，都需要极其复杂的火箭发射技术和精确的轨道部署能力。其成本将是天文数字。而且，如何安全地将如此精密的设备在火箭发射的巨大振动和加速度中保持完好，本身就是一个巨大的工程挑战。
一个可能的折中方案？
鉴于上述挑战，直接将整个“主机”搬到太空中可能不是最现实的短期方案。但是，我们可以考虑一些折中的思路：
将制冷部分外包给太空： 也许可以将量子处理器本身（或者它的一个关键的、对低温最敏感的部分）放置在一个极度优化的隔热和散热容器中，然后利用太空的低温环境来辅助甚至承担大部分的制冷任务。这意味着我们可能还是需要一些主动的冷却系统来维持极其微弱的能量输入，但整体的制冷需求会大大降低。
选择性地利用太空： 也许并非整个量子计算机都需要在太空运行。例如，一些辅助的量子模拟器或量子传感器，它们对环境的要求没有那么极端，可以部署在太空以完成特定的科学任务，同时为量子计算的研究提供数据支持或验证新的量子现象。
太空作为“冷存储”或特定任务平台： 也许未来，太空可以作为一种极端的“冷存储”介质，用于保存量子信息，或者作为专门用于特定太空任务的量子计算节点。
总结一下我的看法：
把量子计算机主机搬到太空中利用其低温环境的想法，就像是在说，与其花大价钱建造一个恒温恒湿的实验室，不如直接把实验室搬到冰川上去。从理论上讲，冰川确实很冷，但你还得考虑如何在那里搭建一个能工作的实验室，如何保证电源、如何散热、如何防风雪……
太空的天然低温是一个巨大的诱惑，它确实为我们解决量子计算机的制冷难题提供了一个令人兴奋的思路。但这个思路也伴随着比我们在地球上遇到的制冷问题更为严峻的挑战：严酷的真空、无处不在的辐射、遥远的距离以及极高的维护成本。
目前来看，在地球上继续优化我们的制冷技术，同时探索更 robust（稳定、抗干扰能力强）的量子计算架构，可能仍然是更现实的路径。但谁知道呢？随着太空技术的飞速发展，以及我们对量子世界更深入的理解，未来也许我们真的能看到在太空中的量子计算节点，它们如同宇宙深处的冰冷宝石，闪耀着未来的计算智慧。这是一个需要持续探索和突破的迷人领域。
量子计算机与绝对零度的不解之缘
首先，我们要明白为什么量子计算机对低温如此“执着”。量子计算机的核心在于量子比特（qubit），这些微小的实体承载着信息，并且能够同时处于多种状态（叠加态）并相互纠缠。然而，量子比特极其脆弱，对外界环境的干扰非常敏感。任何微小的热扰动，哪怕是电子在材料中随机的振动，都可能导致量子比特的状态“坍缩”，丢失其珍贵的量子信息，这也就是所谓的“退相干”。
绝对零度（273.15摄氏度或0开尔文）是理论上的最低温度，在这个温度下，物质的粒子几乎完全停止运动。量子计算机之所以需要接近这个温度，是为了最大限度地抑制这些热扰动。通过将量子比特冷却到接近绝对零度，我们可以极大地延长量子信息保持其叠加态和纠缠态的时间，从而获得更长的“相干时间”，这是进行有效量子计算的关键。想想看，就好比你要在一个极其安静的环境里仔细聆听一个极其微弱的声音，任何一点点杂音都会毁了你的聆听体验。绝对零度就是为量子计算机提供的最接近“无声”的环境。
目前，我们通常使用昂贵的、复杂的制冷设备，如稀释制冷机，来达到纳开尔文（十亿分之一开尔文）级别的低温。这套设备体积庞大、能耗惊人，并且需要持续的维护和运行。
太空的诱惑：一个天然的冷藏室？
现在，让我们把目光投向浩瀚的太空。太空，尤其是远离任何恒星直接照射的深空区域，确实是一个极其寒冷的真空环境。在那里，没有大气层来吸收和传递热量，也没有地表岩石或海洋来散发热量。物体只能通过辐射来散失热量。如果一个物体没有任何热源，并且处于一个没有热辐射源的环境中，它的温度自然会趋向于宇宙微波背景辐射的温度，大约是2.7开尔文。这个温度虽然不是绝对零度，但已经比我们目前的制冷技术能够轻松达到的温度要低得多，而且它是一个“天然的”低温环境。
那么，将量子计算机的主机搬到太空中，是不是意味着我们可以省去那些庞大而复杂的制冷设备，省去巨额的运行成本和能源消耗呢？这个想法听起来确实非常吸引人。
挑战与考量：这不是一次简单的搬家
然而，将一个需要极端精细操作的量子计算机主机搬到太空中，并非一次简单的“搬家”，而是要克服一系列巨大的技术挑战，而且很多挑战的难度可能比我们在地球上解决制冷问题还要大。
1. 极端的真空环境与材料的适应性：
太空是一个接近完美的真空环境。虽然这对于隔绝热量很有好处，但同时也意味着没有空气压力。地球上的电子设备设计是基于大气压力存在的。许多组件，尤其是封装的半导体芯片，在真空环境下可能会出现一些意想不到的问题，例如材料的挥发性。一些塑料或粘合剂在真空中可能会释放出气体，这些气体可能会污染量子处理器本身，对微观的量子比特造成干扰。
反过来，如果量子计算机主机需要某种“环境介质”来传递信号或进行冷却（即使是极低的温度），太空的真空将是一个巨大的障碍。例如，如果需要冷却介质循环，真空将阻止其正常流动。
2. 热量的散失与控制：
虽然太空本身是冷的，但量子计算机主机本身就是一个“发热体”。即使它是一个低功耗设备，它的内部工作也会产生热量。这些热量需要被有效地从量子处理器区域带走，并散发到周围的真空中。
在地球上，我们可以通过对流和传导来辅助散热。在太空中，我们只能依赖辐射散热。这意味着需要设计一种能够高效地将内部产生的热量以辐射形式传递出去的系统。这同样需要精密的工程设计，可能需要特殊的散热板、涂层，甚至是一个主动的冷却循环系统来将热量从核心区域传输到外部辐射面。
更重要的是，如果量子计算机需要以某个特定方向对准地球或某个通信节点，那么即使是深空也可能存在来自这些方向的热辐射源。如何精确地屏蔽或控制这些外部热源的引入，将是另一个难题。
3. 辐射的威胁：宇宙射线的侵袭
太空是一个充满高能粒子的“辐射浴场”。宇宙射线、太阳风粒子等高能辐射能够穿透物质，并在电子设备中引发各种“错误”，例如数据翻转（bit flip）或更复杂的故障。对于极其敏感的量子比特来说，这种辐射的干扰可能是灾难性的，它会瞬间破坏量子态。
虽然地球有厚厚的大气层和磁场作为天然屏障，太空中的量子计算机将完全暴露在这些高能粒子的威胁之下。我们需要设计极其厚重且复杂的屏蔽层来保护量子处理器及其支持系统。然而，厚重的屏蔽层会增加发射的成本和复杂性，并且也可能影响到内部热量的有效散失。这就像一边要挡住子弹，一边又要保证空调的冷气能散出去。
4. 通信的挑战：信号的往返
量子计算机的强大之处在于其处理信息的能力，但最终这些信息需要被传输回地球，或者与地球上的其他计算资源进行交互。太空中的信号传输会受到距离、信号衰减、干扰以及通信窗口的限制。
由于太空通信需要精确的指向和强大的发射功率，保持与地球的稳定、高速连接将是巨大的挑战。而且，量子纠缠是需要通过物理信号来建立和维持的，长距离的量子通信本身就是一个前沿的研究领域。
5. 维护与升级：遥不可及的维修站
与地球上的设备不同，一旦将量子计算机主机部署到太空，任何的维护、维修或升级都将变得极其困难，成本高昂，甚至是不可能的。任何一个关键组件的故障，都可能导致整个系统失效。这需要极高的可靠性设计，并且要考虑到几乎所有可能的失效模式，并尽可能地设计冗余系统。
6. 发射与部署的成本与复杂性：
将任何设备送入太空，尤其是具有高度精密和敏感结构的量子计算机主机，都需要极其复杂的火箭发射技术和精确的轨道部署能力。其成本将是天文数字。而且，如何安全地将如此精密的设备在火箭发射的巨大振动和加速度中保持完好，本身就是一个巨大的工程挑战。
一个可能的折中方案？
鉴于上述挑战，直接将整个“主机”搬到太空中可能不是最现实的短期方案。但是，我们可以考虑一些折中的思路：
将制冷部分外包给太空： 也许可以将量子处理器本身（或者它的一个关键的、对低温最敏感的部分）放置在一个极度优化的隔热和散热容器中，然后利用太空的低温环境来辅助甚至承担大部分的制冷任务。这意味着我们可能还是需要一些主动的冷却系统来维持极其微弱的能量输入，但整体的制冷需求会大大降低。
选择性地利用太空： 也许并非整个量子计算机都需要在太空运行。例如，一些辅助的量子模拟器或量子传感器，它们对环境的要求没有那么极端，可以部署在太空以完成特定的科学任务，同时为量子计算的研究提供数据支持或验证新的量子现象。
太空作为“冷存储”或特定任务平台： 也许未来，太空可以作为一种极端的“冷存储”介质，用于保存量子信息，或者作为专门用于特定太空任务的量子计算节点。
总结一下我的看法：
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太空的天然低温是一个巨大的诱惑，它确实为我们解决量子计算机的制冷难题提供了一个令人兴奋的思路。但这个思路也伴随着比我们在地球上遇到的制冷问题更为严峻的挑战：严酷的真空、无处不在的辐射、遥远的距离以及极高的维护成本。
目前来看，在地球上继续优化我们的制冷技术，同时探索更 robust（稳定、抗干扰能力强）的量子计算架构，可能仍然是更现实的路径。但谁知道呢？随着太空技术的飞速发展，以及我们对量子世界更深入的理解，未来也许我们真的能看到在太空中的量子计算节点，它们如同宇宙深处的冰冷宝石，闪耀着未来的计算智慧。这是一个需要持续探索和突破的迷人领域。
网友意见
“把主机搬到太空中”对现有的量子计算机有害无利，对制冷毫无贡献。
人脑可能有基于磷原子自旋的量子计算机制[1]，太空环境对人脑更是有害。
“量子计算机需要在绝对零度附近工作”的印象来自现存的使用原子或离子存储信息的人造量子系统，其通常需要0.1开尔文（零下273.05摄氏度）左右的超低温，需要多级泵送液氦制冷。
- 2020年号称“挣脱低温枷锁”的设备将限制提高到1.1开尔文到1.5开尔文左右，仍然需要泵送液氦制冷[2]。
- 使用光子存储信息的人造量子系统并没有这样严格的温度限制。
- 人脑若有量子计算能力，它也不需要低温。
但是，“太空中没有太阳的一面也是绝对零度”的说法是错误的：
- 在已知的物理范围内，绝对零度是不可达到的。
- 宇宙空间的能量密度约10^-5瓦每立方米，接近3开尔文的黑体的辐射能量密度，比现有超导量子计算设备要求的温度要高。你仍然需要泵送液氦制冷。
- 在太空中，航天器通过将热辐射散入宇宙空间来降温。近地轨道上的航天器在一侧被太阳光照射的状态下，背对太阳一侧通常只能冷却到116开尔文到152开尔文左右——对超导量子计算设备来说还不如留在地球上的冷库里。
- 太阳系内已知最冷的自然环境位于月球南极附近一些常年笼罩在阴影中的陨石坑底部，约为35开尔文，比冥王星表面的已知最冷点还要冷1开尔文——对超导量子计算设备来说还不如留在地球上的冷库里。
况且，近地轨道上的环境充满恶劣的影响因素，对量子计算机的正常运转构成威胁。
将量子计算机送到月球等天体上去，比放在地球上更加难以维护保养和操作，在近未来无法期待。
参考
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