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高性能量子计算的射频互连要求

David Slack，Times Microwave Systems

量子计算技术是计算的下一个前沿领域，已经发展了几十年，随着技术的持续快速发展，它最近开始热起来了。量子计算代表计算能力的重大提升。随着它的普及，将可以节省多年的开发时间和大量的工程设计费用。

领先的制造商已经利用某种形式的量子计算来处理令人难以置信的复杂操作。主要的用例涉及由一个复杂的问题组成的场景，有成千上万的输入，应用包括网络安全、金融和经济建模、空气动力学和热力学建模、宇宙学模拟等。以空气动力学和热力学建模为例，高超音速飞机的某些发展正在扩展已知空气动力学和空气热力学设计原理的极限。使用现有最好的超级计算机对这些现象进行计算机模拟可能需要几周时间。速率和速度仍然需要很好地了解，所以今天也在做很多物理测试来了解这些特性。代替运行这些模型的量子计算机会快得多，涉及的物理测试也少得多。

量子计算和微波工程

计算的主要元素被称为量子位或量子比特（qubit）。然而，与经典计算机的代表1或0的比特不同，量子数据可以同时为1和0。这种机制使量子计算机处理信息的速度和效率大大高于经典计算机。

量子比特的作用类似于微波谐振电路；通过用微波信号移动它们，它们可以从0状态被驱动到1状态。在这种驱动条件下，成为1态或0态的概率随时间呈正弦波变化。像其他信号一样，量子比特有一个幅值和一个相位关系。量子编译中的一个限制因素是，当谐振器处于这种驱动条件下时，它只能在一定时期内被预测和控制。这是因为，像任何谐振器一样，有一些影响会导致它失去能量并停止共振。

这些限制因素被称为量子比特的关联性。当量子比特变得不相关时，它们不再是可预测和可控制的；它类似于数据中的比特误码，并产生计算问题。因此，量子比特的关联性和控制是技术发展背后的基本问题之一。归根结底，"噪声"是由热、磁和机械来源引入的。

微波硬件可以为这些谐振器提供能量，并最大限度地减少噪声。首要的限制之一是用于量子比特的超低噪声驱动信号，特别是低相位噪声，因此在超低相位噪声振荡器和类似技术的应用方面正在进行大量的工作。当有多个比特时，它们可以通过驱动一个微波频率的信号来耦合和控制。它可以被振幅和相位调制以赋予其特定的属性。除了精确调制方案中这些驱动信号的低噪声源外，硬件将这种噪声降到最低。

量子计算需要专门的射频和微波电缆

量子计算的独特复杂性需要强大的射频互连和电缆，以可靠地将量子比特传送到量子处理器中。这包括可以在极低的温度、空间受限的环境中运行的电缆，并且不会干扰应用的磁场。保持低噪音的基本要求之一是在非常低的温度下运行。量子计算机需要在非常低的温度下才能稳定运行。其温度接近于-273℃，甚至要低于太空真空的温度。

使用二氧化硅（SiO₂）作为电介质的射频电缆因其出色的绝缘性能而被用于整个微电子行业，并可提供高度耐温和耐辐射的半刚性电缆。这些坚固、低损耗和相位稳定的同轴组件最初是为支持太空飞行任务而开发的，在这些任务中，真空密封和能够承受极低温度的要求是至关重要的。SiO₂电缆代表了同轴电缆技术的重大进步，它具有特别低的磁滞，即使在极端环境中，相位和损耗也会恢复到特定温度下的相同值。这种类型的电缆可以在绝对零度以上到1000℃的范围内工作。图1显示了一些SiO₂电缆的例子。

SiO₂同轴电缆的结构首先是固体无氧铜中心导体，SiO₂绝缘电介质，以及作为外导体的铜包层的不锈钢外套。以创建二氧化硅电缆和恶劣环境方面的开发技术为起点，下一个逻辑步骤是应用对量子计算更有利的材料。有两种材料很合适，并在不同的温度水平上应用。基于铜镍的半刚性结构从室温到约4K，NbTi结构从4K到4mK。NbTi是一种超导电缆，旨在直接与量子处理器连接。

图2显示了一个典型的量子计算系统，其中的量子CPU（QCPU）被保持在超导温度。射频电缆被用于整个系统，从QCPU开始，通过不同的温度，并从腔室到控制电子设备。室温电缆在这一操作中也发挥了重要作用，因为相位稳定性很重要。这些电缆通常有不同的长度，不能在系统中引入误码。

更高的频率，更小的空间

量子计算技术的进步正在导致对射频系统更复杂的要求，以适应不断变小的设备内的更高频率。

例如，量子计算需要靠近处理器的信号接入点。这些系统的布线是一个挑战，因为在狭小的空间中，传统的半刚性解决方案有局限性；在非常小的尺寸时，它们变得过于脆弱，使得安装困难，因为这些组件更容易断裂。使用专门设计的柔性电缆来优化空间，在狭小的角落里弯曲，并在不浪费电缆长度的情况下连接到各种端口，正在成为一种首选。耐用性和材料是额外的考虑因素，因为这些电缆要在量子计算机的挑战性环境中的微小空间里被弯曲。

减少磁干扰

量子计算还需要在信号路径的关键区域使用非磁性同轴电缆，以消除对应用磁场的潜在干扰。非磁性同轴电缆和连接器主要用于在磁场中传输射频信号的应用，包括量子计算机。这些组件中任何磁性材料的存在都可能干扰磁场，因此非磁性或非金属同轴电缆或连接器必须对磁场"不可见"。这需要非常低的易感性和无磁场畸变。有一类密封的定制同轴电缆通过利用先进的制造技术确保零电场失真来解决这个问题。

结论

量子计算技术既有令人难以置信的前景，又极其复杂。为了帮助量子计算机发挥其最大潜力，将需要独特的微波技术和射频电缆。由于这项技术正处于起步阶段并在迅速发展，技术专家应与拥有丰富经验的互连专家合作，以便在最极端的条件下创造出最新颖的产品和解决方案，并有能力随着技术的发展不断创新。

图1 Times Microwave的SiO₂电缆。

图2 典型的量子计算系统。