超导量子计算机是利用超导量子处理器搭建的量子计算机系统，由于需要超导环境，超导量子处理器对温度和磁场非常敏感，因此超低温和磁屏蔽非常重要。此外，量子系统的输入输出线路保护也很重要。

根据D-Wave 公司发布的量子编程白皮书可以知道，与前几代一样，D-Wave 公司的第四代D-Wave 2000Q量子系统的量子处理器运行环境非常苛刻，超低温和磁屏蔽做得非常到位；同样也非常重视线路布局保护。其实，这所做的一切就是D-Wave 2000Q量子系统的复杂设计。

量子计算机处理器的“散热冷却”

温度越低越好

量子处理器对温度要求非常严格，要想量子处理器正常运行，环境温度必须低于80mK（这里指的是开尔文温度）。理论上，温度越低，量子处理器的性能会越强，这和传统处理器有点相似。

量子计算机的温度控制器

比外太空温度还要低180倍

最新一代D-Wave 2000Q量子系统的CPU工作温度大约是15mK(15毫开尔文)。QPU量子处理器单元和输入/输出（I / O）系统的部分，还包括大约10Kg的量子处理器其他部分材料，都被冷却到这个不可思议的温度。其实这个温度已经比外太空低温环境还要低180倍。

稀释致冷机

D-Wave 2000Q量子系统之所以体积如此庞大，是因为系统大部分容积都被量子系统的制冷系统所占据了。这个制冷系统用于冷却量子处理器，制造适合量子处理器运作的环境温度，可以称之为稀释致冷机。

使用液氦作为冷却剂

为了使量子系统的环境温度尽可能接近绝对零度，稀释致冷机的使用液氦作为冷却剂。D-Wave量子系统的处理器环境是绝对封闭的系统，这就意味着所以液氮必然处于封闭循环系统内。就像空调里面的冷却剂一样，液氦利用脉冲管技术进行冷却和循环利用。这样只需要很久时间做一次维护，加液氦就行。

低温环境保持好几个月甚至几年

其实能够制造出如此低温的专用冷却设备在市面上是可以买到的，现在稀释致冷机的技术也足够成熟。量子计算机可以利用此设备，只需几个小时就可以制造出量子处理器的环境温度，一旦达到这个温度，这个低温环境是可以保持好几个月甚至几年。

计算机的布线和线路保护

负责处理输入和输出信息的I / O子系统

I / O子系统负责处理输入输出信息，信息输入：用户指令传送到QPU；信息输出：将QPU运算结果送到用户界面。这个信号是属于低频（频率<30MHz）的模拟电信号，这些信号通过量子计算机内部的特殊金属线传递。其实在如此低温的环境中，这些金属线早已变成超导金属线。

I / O子系统的人机输入/输出界面

I / O子系统的关键组件包括：

1、QPU安装和引线键合；

2、低频带通滤波器，用于消除线路噪声；

3、室温电子设备，将来自前端服务器的网络信号转换为模拟电信号

4、前端服务器，负责从用户哪里接收编程指令

前端服务器

划时代设计的量子计算机I / O子系统

I / O子系统的设计，制造和测试都是D-Wave公司自己搞定的。量子计算机I / O系统的许多规范很划时代，其对所涉及的材料和工艺提出了不寻常的要求。例如：

1、大多数I / O子系统必须在15mK温度下运行，而且量子处理器的环境温度必须长期保持，这就要求内部的稀释致冷机一年365天、24小时持续不断地工作。

2、大部分子系统必须使用超导金属制造（例如锡），这对于量子处理器的制造商提出很高的要求。

3、靠近处理器的材料都不能带有磁性。为了达到这个严格的标准，量子计算机D-Wave 公司在基准温度下单独测试每个I / O子系统中每个组件的磁性特征，这里是说与量子处理器直接连接的部件。

I / O连线总共192条，磁通量密度非常低

当前的I / O子系统提供的输入输出I / O连线总共192条，这里说的是经过严格滤波的192线路，与量子处理器单元QPU直连。这样做的目的是为了实现单个QPU最佳工作状态，性能最优化。由于D-Wave QPU的特殊设计，对地球杂散磁场非常敏感，极易受到影响，所以必须消除杂散磁场。当前的磁屏蔽系统的磁通量密度非常低，可以在QPU的整个体积上实现三维整体空间小于1纳特斯拉（nT）。

2.3 - 量子计算机磁场屏蔽和接线

实际上，I-O子系统的几乎所有方面都由D-Wave设计，制造和测试。前面说到，I / O系统的许多规范对所涉及的材料和工艺提出了不寻常的要求。例如，大多数I / O子系统必须在15mK下运行，并且能够抵抗室温和基座之间的多次加热/冷却循环。大部分子系统必须使用超导金属制造，例如锡，这对于制造商来说通常是非标准的。另外，靠近处理器的材料都不是磁性的。

为了强制执行此要求，公司在基准温度下单独测试每个I / O子系统的每个组件的磁性特征，并且仅包括通过的那些组件。这是通过包括五个同心圆柱形屏蔽的系统实现的，其中一些是高磁导率金属，一些是超导金属。

QPU上集成了磁传感器，用来测量环境场；通过施加方向磁场，使这些传感器处磁场归零。然后逐步降低组件的环境温度，慢慢接近开尔文温度，超导屏蔽开始超导化。与此同时，“锁定”所谓的零场（磁场归零）。

量子计算机外形

除了内部磁屏蔽系统之外，量子计算机外壳也是属于磁屏蔽系统一部分。量子计算机外壳可以屏蔽射频电磁噪声，即是消除空间的射频电磁干扰。内部屏蔽系统和量子计算机机壳外部之间只有唯一的信息通道，就是一条数字光通道，该数字光通道用于承载编程信息和量子计算机输出的计算结果。

实际上，量子计算机的外壳有两个重要的功能：磁屏蔽系统的外壳和D-Wave系统的外壳。D-Wave 2000Q量子计算机系统主机是一个黑色的立方体，容纳、冷藏和磁屏蔽量子计算系统，而旁边有个辅助计算的黑色机柜—里面集合整个量子计算机的服务器和控制系统。

量子计算机的服务器和控制系统

总体来说，在设计上，整个量子计算机系统体积和占地面积都很大，与现在超级计算机体积差不多。