解锁量子潜力：低温工程将如何影响2025年及以后量子计算的发展。探索推动超冷量子系统新纪元的技术、市场增长和战略转变。
- 执行摘要：低温工程作为量子计算的支柱
- 市场规模和增长预测（2025–2030）：CAGR和收入预测
- 驱动量子处理器的关键低温技术
- 主要参与者和战略合作伙伴关系（例如，Bluefors、Oxford Instruments、IBM、Google）
- 低温系统的供应链和制造趋势
- 技术挑战：热管理、可扩展性和可靠性
- 新兴应用：量子数据中心、通信和传感
- 监管、安全和标准化倡议（IEEE、ASME）
- 投资格局：资金、并购和初创生态系统
- 未来展望：颠覆性创新和长期市场影响
- 来源与参考
执行摘要：低温工程作为量子计算的支柱
低温工程迅速成为量子计算发展的基础支柱，尤其是在行业迈向2025年及更远的未来之际。量子处理器，特别是那些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，以保持量子相干性并减少噪声。这一需求推动了低温技术的重大创新和投资，使其成为可扩展量子计算基础设施的支柱。
当前的市场格局由少数专业制造商和技术领导者主导。Bluefors总部位于芬兰，被广泛认为是稀释制冷机制造的全球领导者，稀释制冷机对于冷却量子处理器至关重要。他们的系统被部署在全球主要的量子研究实验室和商业量子计算设施中。同样，Oxford Instruments在英国，长期以来以提供先进的低温和超导解决方案而闻名，支持学术和工业量子计划。
在美国，Quantum Machines和JanisULT（Lake Shore Cryotronics的一个部门）以其集成低温平台和控制系统而显著，这些系统正越来越多地被量子硬件开发人员采用。这些公司不仅改善了低温系统的可靠性和可扩展性，还在减少操作复杂性和能耗方面做出了努力——这一点在量子计算机从实验室原型向商业产品过渡时尤为关键。
低温基础设施的需求进一步得到了量子计算巨头如IBM和Rigetti Computing的活动的强调，这两家公司都公开承诺扩大其量子处理器的规模。例如，IBM已宣布计划在2020年代末开发具有数千个量子比特的量子系统，这一目标将需要在低温工程方面取得前所未有的进展，以确保大规模量子设备的稳定长期运行。
展望未来，未来几年预计将继续看到低温专家与量子硬件开发人员之间的合作。预计自动化低温管理、改进的热锚固和与经典控制电子设备的集成等创新将进一步简化量子系统的部署。随着量子计算逐渐接近实用性，低温工程的作用只会越来越重要，巩固其作为该领域技术支柱的地位。
市场规模和增长预测（2025–2030）：CAGR和收入预测
量子计算中低温工程的市场预计将在2025年至2030年间显著扩展，这一扩展受到量子技术快速发展和商业化的驱动。低温系统对于维持超导量子比特和自旋量子比特等主要量子计算方式所需的超低温至关重要，这些量子比特通常在毫开尔文范围内工作。随着量子计算从实验室研究向早期商业部署过渡，对高可靠性、可扩展的低温基础设施的需求正在加速。
包括Bluefors、Oxford Instruments和Linde等主要行业参与者，正在大力投资下一代稀释制冷机、低温设备和针对量子计算应用的低温支持系统。例如，Bluefors被认为是全球量子研究低温平台的领导者，并报告称来自学术和商业量子计算项目的订单急剧增加。Oxford Instruments继续扩展其产品组合，专注于模块化和可扩展的低温解决方案，以满足量子硬件开发者不断变化的需求。
尽管具体的针对量子计算的低温工程市场规模数字尚未广泛发布，但业内共识和公司披露表明，在2030年前，预计将实现20%到30%的强劲复合年增长率（CAGR）。这一增长得益于来自量子硬件公司的投资增加、国家量子计划以及将量子处理器集成到其基础设施中的云服务提供商。例如，IBM和Google都宣布了扩大其量子计算能力的计划，这直接转化为对先进低温系统需求的增加。
预计到2030年，全球量子计算低温工程市场的收入预测将达到数亿美元，一些行业估计这个数字将超过5亿美元，具体取决于量子硬件的商业化进程和低温解决方案在新兴量子数据中心的采纳情况。2025年至2030年的展望还得到低温设备制造商与量子技术公司之间持续合作以及美国、欧洲和亚太地区政府支持的量子计划的进一步强化。
总之，预计2025年至2030年是量子计算的低温工程市场快速增长的时期，其特征为两位数的CAGR、扩大的收入池以及领先的低温和量子技术公司之间日益增多的战略合作伙伴关系。
驱动量子处理器的关键低温技术
低温工程是量子计算的基础支柱，因为大多数量子处理器——特别是基于超导量子比特和自旋量子比特的处理器——需要在接近绝对零度的温度下运行。到2025年，该领域在低温系统的性能和可扩展性方面都见证了快速进展，受到量子硬件开发者的需求和商业量子计算平台的出现的推动。
冷却量子处理器的主要技术是稀释制冷机，可以实现低于10毫开尔文的温度。领先制造商如Bluefors Oy和Oxford Instruments已成为全球量子计算公司和研究机构的核心供应商。这些公司正在进行制冷机设计创新，以支持更大的载荷、更高的冷却功率，并与量子控制电子的改进集成。例如，Bluefors Oy推出了模块化低温平台，使量子处理器可以扩展到数百或数千个量子比特，同时保持所需的超低温以确保量子相干性。
2025年的另一个关键趋势是与低温兼容电子设备的集成。随着量子处理器的扩展，减少来自接线和控制硬件的热负荷的需求变得至关重要。像英特尔公司这样的公司正在开发低温操作的低功耗CMOS（互补金属氧化物半导体）控制芯片，能够在低于4开尔文的温度下运行，从而减少进入低温设备的电缆数量并实现更有效的扩展。这种方法预计将成为未来几年实用大规模量子计算机的重要促进因素。
此外，业界正在探索替代冷却技术，以解决传统稀释制冷机的局限性。诸如Cryomech Inc.等公司的脉冲管制冷机因其可靠性和较低的维护需求而被广泛采用，特别是在商业和基于云的量子计算服务中。这些系统通常与稀释制冷机结合使用，以进行预冷和提高整体系统效率。
展望未来，低温工程在量子计算中的前景标志着向更大自动化、远程监控和模块化的推动。公司正在投资于智能低温系统，集成诊断和远程控制能力，旨在支持数据中心环境中的24/7运行。随着量子处理器的复杂性不断增加，对强大、可扩展和用户友好的低温基础设施的需求将继续成为该领域创新的重要驱动力。
主要参与者和战略合作伙伴关系（例如，Bluefors、Oxford Instruments、IBM、Google）
2025年量子计算的低温工程格局由少数主要参与者和不断增长的战略合作伙伴网络定义。这些合作至关重要，因为量子处理器，特别是基于超导量子比特的处理器，要求超低温，通常低于20毫开尔文，这只有依靠先进的稀释制冷机和低温基础设施才能实现。
最突出的公司之一是Bluefors，一家专注于低温测量系统的芬兰制造商。Bluefors已成为稀释制冷机的全球领导者，为学术和工业量子计算实验室提供系统。他们的模块化平台旨在实现可扩展性，这是随着量子处理器量子比特数量增加而关键的要求。近年来，Bluefors宣布与领先的量子计算公司和研究机构建立合作关系，旨在共同开发适用于大规模量子计算机的下一代低温解决方案。
另一家主要参与者是Oxford Instruments，这家总部位于英国的公司在低温和科学仪器领域享有悠久历史。Oxford Instruments提供一系列无冷源稀释制冷机，并积极与量子硬件开发人员合作，以优化系统集成和性能。他们的平台在商业和政府量子项目中得到广泛应用，公司继续投资于自动化和远程监控能力，以支持量子数据中心的运营需求。
在最终用户方面，科技巨头如IBM和Google不仅在开发量子处理器，还在低温工程方面进行了大量投资。IBM的“量子系统一”和“量子系统二”平台整合了定制的低温基础设施，其中大部分是与领先供应商合作开发的。IBM还宣布与Bluefors和Oxford Instruments的合作以推动低温性能和可靠性的界限。与此同时，Google则建立了定制的低温实验室，以支持其Sycamore和未来的量子处理器，并与Bluefors和Oxford Instruments密切合作以满足其硬件需求。
战略合作伙伴关系正在超越传统的供应商-客户关系。例如，Bluefors和Oxford Instruments均与量子硬件初创公司和国家实验室签署了联合开发协议，旨在解决诸如低温电缆、热管理和系统自动化等挑战。这些联盟预计将在未来几年加速更大、更稳定的量子系统的部署。
展望未来，这些主要参与者及其合作伙伴之间的互动将在克服量子计算的工程瓶颈方面发挥关键作用。随着量子处理器接近1000个量子比特的标志，强大、可扩展和自动化的低温解决方案的需求只会加剧，从而推动整个行业的进一步创新和合作。
低温系统的供应链和制造趋势
量子计算中低温系统的供应链和制造格局正在经历重大变革，随着该领域在2025年逐渐成熟。对超低温环境的需求——通常低于10毫开尔文——仍然是超导和自旋量子处理器的关键推动因素。这导致了在低温工程规模和复杂性上的激增，重点关注可靠性、模块化以及与量子硬件的集成。
Bluefors和Oxford Instruments等主要行业参与者继续主导稀释制冷机的市场，而稀释制冷机是大多数量子计算平台的基础。这两家公司扩大了制造能力，并推出专为量子计算而设计的新产品线，强调更高的冷却功率、降低的振动和改进的系统自动化。在2024年和2025年，Bluefors宣布与领先的量子硬件开发者建立合作关系，以共同设计低温平台，旨在简化集成并减少部署时间。
在全球半导体和氦气短缺的背景下，供应链的韧性已成为焦点。制造商越来越多地本地化组件采购并投资于垂直整合。例如，Oxford Instruments报告称，他们正在努力确保关键稀有材料和定制组件的供应线，同时开发关键子系统（如脉冲管冷却器和低温电缆）的内部能力。
新兴的进入者，例如Linde和Cryomech，分别利用在工业气体和制冷器方面的专业知识，提供适用于量子实验室和数据中心的可扩展解决方案。Linde专注于氦气回收和液化系统，解决成本和可持续性问题，而Cryomech则在推进脉冲管制冷器技术以支持持续运行和最小化维护方面取得了进展。
展望未来，预计未来几年将进一步标准化低温接口并增加模块化即插即用系统的采纳。行业联盟和与量子硬件公司的合作推动了低温互连和监控的开放标准的发展，这将促进互操作性并加速部署。此外，自动化和远程诊断也正在被集成到新系统中，使预测性维护成为可能，并减少对专业现场人员的需求。
总体而言，量子计算的低温供应链正在迅速演变，既有成熟制造商扩大规模，新进入者创新，整个生态系统也在向更大的韧性、效率和集成转型。
技术挑战：热管理、可扩展性和可靠性
低温工程是量子计算的基石，使得超导量子比特和其他量子设备所需的超低温得以实现。随着量子计算行业在2025年向前发展，热管理、可扩展性和可靠性等技术挑战变得愈加显著，塑造着研究优先级和商业策略。
热管理：量子处理器，特别是那些基于超导电路的处理器，必须在接近绝对零的温度下运行——通常低于20毫开尔文。达到和维持这些温度需要复杂的稀释制冷机。领先制造商如Bluefors Oy和Oxford Instruments plc在这个行业中处于核心地位，为主要的量子计算公司提供低温系统。在2025年，重点是改善冷却功率、降低热噪声，并集成更高效的换热器以支持更大的量子处理器。随着系统的扩展，控制接线和放大器产生的热负荷管理的挑战会加剧。
可扩展性：随着量子计算机从几十个量子比特增长到数百或数千个，低温基础设施也必须相应扩展。这不仅涉及更大的制冷机，还需要在低温电缆、过滤和信号路由等方面的创新。像Lake Shore Cryotronics, Inc.这样的公司正在开发先进的低温测量和控制解决方案来应对这些需求。低温电子的集成——例如低温放大器和多路复用器——是一个关键研究领域，旨在减少经典温度和量子处理器之间的物理连接数量，从而最小化热输入和复杂性。
可靠性：低温系统的长期稳定运行对于研究和商业量子计算至关重要。非计划的热循环或系统停机可能会干扰实验并损坏敏感组件。因此，制造商正在增强系统的自动化、远程监控和预测性维护能力。例如，Bluefors Oy和Oxford Instruments plc正在投资于软件和硬件解决方案，以提高正常运行时间并减少人工干预。此外，低温组件的可靠性（例如真空密封、泵和电缆）仍然是关注的焦点，人们正在持续努力延长服务间隔和减少故障率。
展望未来，未来几年将继续看到量子硬件开发者与低温工程公司之间的合作。对大规模、更可靠的量子计算机的推动将推动低温系统设计的创新，重点是模块化、自动化和低温电子的集成。随着行业的发展，提供强大、可扩展且高效的低温基础设施的能力将成为量子计算提供者及其低温合作伙伴之间的关键区分因素。
新兴应用：量子数据中心、通信和传感
低温工程迅速成为下一代量子技术的基石，特别是随着量子计算从实验室原型转向可扩展、商业可行的系统。在2025年及未来几年，对先进低温解决方案的需求正在加剧，推动力量包括量子数据中心、量子通信网络和量子传感应用的出现。
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，需要在接近绝对零度的温度下稳定运行——通常低于20毫开尔文。这就需要复杂的稀释制冷机和低温基础设施。领先制造商如Bluefors和Oxford Instruments处于最前沿，提供模块化、可扩展的低温平台，专为多量子比特系统量身定制。在2024年，Bluefors宣布了一款新的高容量低温设备，专为量子数据中心设计，支持数百个量子比特，并与自动控制系统集成，以最小化停机时间和维护。
量子数据中心的崛起——专门为托管量子处理器而设立的设施——对低温工程提出了新的要求。这些中心不仅需要可靠的超低温环境，还需要高效的热管理、振动隔离和电磁屏蔽。像IBM和Leiden Cryogenics这样的公司正在投资下一代低温基础设施，以支持他们的量子云服务和研究平台。例如，IBM 的量子系统二采用了模块化的低温架构，旨在实现持续运行和快速扩展，目标是支持数千个量子比特。
在量子通信中，低温工程对单光子探测器和量子中继器的操作至关重要，这对于安全量子密钥分发（QKD）网络而言是关键的。ID Quantique和Single Quantum正在开发低温冷却的超导纳米线单光子探测器（SNSPDs），具备高探测效率和低噪声，能够实现长距离的量子通信链接。这些设备正在欧洲和亚洲的试点QKD网络中部署，预计在低温可靠性和集成改善的情况下会进一步扩展。
量子传感应用，如超灵敏磁力计和重力计，也从低温工程的进步中受益。QuSpin和Magnicon等公司正在开发低温传感器，用于医学成像、地球物理勘探和基础物理实验。预计未来几年这些传感器的采用将更加广泛，因为低温系统变得更紧凑、节能和用户友好。
展望未来，低温工程在量子技术中的前景标志着向更大自动化、模块化和与传统数据中心基础设施的集成的推动。随着量子计算和通信网络的扩展，行业将继续在低温设计上创新，旨在降低运营成本和环境影响，同时支持新兴量子应用的严格要求。
监管、安全和标准化倡议（IEEE、ASME）
低温工程是量子计算的基础支柱，使超导量子比特和其他量子设备所需的超低温得以实现。随着该领域的逐渐成熟，监管、安全和标准化倡议变得愈加重要，以确保低温系统的安全操作、互操作性和可扩展性。在2025年及未来几年，几个关键组织正在塑造行业格局，特别是IEEE和ASME。
IEEE一直在积极制定与量子技术相关的标准，包括与低温工程相关的标准。近期推出的IEEE量子倡议正在致力于对量子硬件进行接口、性能指标和安全协议的标准化，特别关注低温环境。到2024年，IEEE标准协会启动了工作组，解决低温系统的独特挑战，如电磁兼容性、热管理和适合亚开尔文操作的材料选择。这些努力预计将在2025年产生标准草案，为制造商和研究机构提供兼容性和安全性的框架。
ASME也在发挥重要作用，利用其在压力容器规范和低温安全方面的专业知识。ASME的锅炉和压力容器规范（BPVC）正在被引用并适应于量子计算中使用的低温设备和稀释制冷机的设计与认证。到2025年，ASME预计将发布更新的指南，专门阐述量子低温操作的独特风险，如快速热循环、氦气管理和应急排气程序。这些指南是与领先的低温设备制造商和量子计算公司合作制定的。
作为稀释制冷机的主要供应商，像Bluefors和Oxford Instruments等行业参与者正在积极参与这些标准化工作。他们从量子计算实验室和商业安装的大规模部署中提供实际见解，为推动新标准的制定奠定现实基础，使其能够迅速被行业采纳。
展望未来，随着量子计算从研究走向商业部署，监管和标准化活动预计将加速。未来几年可能会引入协调一致的国际标准，促进跨国合作和供应链整合。处理低温气体的安全协议、应急响应及环境影响（如氦气保护）将越来越被编纂进规范，降低操作风险，支持全球量子计算基础设施的可靠扩展。
投资格局：资金、并购和初创生态系统
量子计算中低温工程的投资格局迅速演变，随着对可扩展、可靠的超低温解决方案需求的加剧。低温系统对超导和自旋量子处理器的运行至关重要，这些处理器需要接近绝对零度的温度。随着量子计算从实验室研究过渡到早期商业化，低温工程领域的资金和并购活动加速，既有企业也有初创公司吸引到了可观的资本。
在2024年及2025年，主要投资流入专注于稀释制冷机、低温设备及相关基础设施的公司。Bluefors总部位于芬兰，仍然是全球量子技术的低温系统领导者。该公司扩展了制造能力和研发范围，获得了与量子硬件开发者的战略投资和合作支持。同样，Oxford Instruments（英国）继续在低温和超导技术方面进行创新，利用其长期的专业知识为学术和商业量子计算客户提供服务。
初创生态系统生机勃勃，新公司专注于低温平台的微型化、自动化和能源效率。值得注意的初创公司包括Cryo Industries of America，它正在开发针对量子实验室的紧凑型低温设备，和Lake Shore Cryotronics，它正在扩展其产品线以满足量子设备测试和集成的独特需求。这些公司已吸引到来自风险投资和战略投资者的种子轮和A轮融资，反映出对行业增长轨迹的信心。
并购也在塑造市场格局。近年来，更大的仪器和技术公司收购了小型低温公司，以实现量子硬件供应链的垂直整合。例如，Oxford Instruments追求定向收购，以拓宽其低温能力，而Bruker Corporation则扩大了其低温解决方案组合，以更好地服务于量子研究市场。
展望2025年及以后，低温工程在量子计算中的投资前景仍然强劲。预计该领域将受益于美国、欧盟和亚洲对量子计划的政府资金增加，以及日益增加的对先进低温基础设施的量子计算初创公司的需求。随着量子处理器在量子比特数量和复杂性上不断扩大，对高性能、可靠且具有成本效益的低温系统的需求将继续推动行业的资金投入、合作伙伴关系和整合。
未来展望：颠覆性创新和长期市场影响
低温工程是量子计算的基础推动力，因为大多数领先的量子硬件平台——如超导量子比特和自旋量子比特——需要在接近绝对零度的温度下运行。随着量子计算行业在2025年及以后不断成熟，低温技术的颠覆性创新有望塑造量子系统的技术轨迹和更广泛的市场影响。
一个关键趋势是对可扩展、模块化低温基础设施的推动。传统的稀释制冷机虽然有效，但体积庞大且能耗高，限制了大规模量子处理器的实际部署。为了应对这一挑战，像Bluefors和Oxford Instruments这样的公司正在开发下一代低温设备，具有更高的冷却能力、改进的自动化和更小的占地面积。这些系统旨在支持数百或数千个量子比特，以满足未来几年量子处理器的扩展需要。
另一个创新领域是低温电子器件的集成。随着量子处理器复杂性的增加，减少来自控制接线和电子元件的热负荷的需求变得至关重要。像英特尔公司这样的公司正在积极研究低温CMOS和其他低接触控制解决方案，旨在将经典控制硬件嵌入低温环境中。这种方法有望减少延迟，改善信号完整性，并使量子计算模块更加紧凑。
市场还见证了专业低温组件供应商的崛起。例如，Lake Shore Cryotronics和Janis Research Company（Lake Shore的一部分）正在扩大其为量子应用量身定制的低温传感器、接线和热管理解决方案的产品供应。这些组件对于维持可靠的量子操作所需的超低温和稳定性至关重要。
展望未来，低温工程与量子计算的融合预计将驱动显著的市场增长和技术差异化。随着量子硬件从实验室原型转向商业部署，对强大、可扩展和具有成本效益的低温系统的需求将加剧。行业分析师预计，低温技术的进步将不仅降低量子采纳的障碍，还将在量子网络和传感等相关领域开放新的机会。
总之，未来几年，低温工程可能会从一个小众专业领域转变为量子计算生态系统的核心支柱，颠覆性的创新将塑造量子硬件发展与新兴量子技术市场结构的步伐。
来源与参考
- Bluefors
- Oxford Instruments
- IBM
- Rigetti Computing
- Linde
- Cryomech Inc.
- Bluefors
- Oxford Instruments
- IBM
- Lake Shore Cryotronics, Inc.
- ID Quantique
- QuSpin
- IEEE
- ASME
- Cryo Industries of America
- Bruker Corporation
- Janis Research Company
