量子计算机中的连接器有什么特别之处?

2023-03-08 15:14:41 来源:《国际线缆与连接》投稿人 冯文飞编译 作者:《Connectortips》JEFF SHEPARD 点击:3251

量子计算机有望解决世界上一些最复杂的问题。制造互连是构建量子计算机时最复杂的问题之一。量子计算机需要的连接器特点包括:能够承受低温;具有非磁性结构;在微波频率下以低损耗运行,以减少热量并改善数据传输。而且需要高密度密封设计,使信号接入点尽可能靠近量子处理器。

量子计算机中的控制和读出线 (I/O) 是使用传统同轴电缆以大规模并行配置实现的。随着量子计算机中量子比特数量的增长,对与外界的高密度连接的需求也在增长。

本文回顾了量子计算机互连的当前技术水平,展示了最近引入的高密度替代方案的几个示例,并研究量子计算机内开发高密度互连的工作。

随着量子计算机的复杂性从少数几个量子位增加到数百或数千个量子位,对高密度互连的需求成倍增加。量子计算机通常在低温稀释冰箱中运行。典型的冰箱设计有一个真空密封的顶部,下面有一系列冷却级,底部级包含低于20毫开尔文 (mK) 的量子位。隔热隔板将冰箱部分隔开,以最大限度地减少热传递。级之间的连接必须提供高水平的隔热。

将冰箱底部的量子位连接到室温控制电子设备是一项复杂的布线任务。量子计算机中连接器的一些要求是:

l 非磁性材料和电镀

l 最大磁化率10-5,无场畸变

l 用于非空间关键系统的带六角螺母耦合的 SMA 连接器可支持约16毫米的间距

l 用于空间关键型系统的SMPM连接器可支持4.75毫米的间距,并提供简单的即插即用连接

l DC至26.5 GHz(用于 SMA 连接器)和 DC至65 GHz(用于 SMPM 连接器)

根据连接器配置,标准 ISO 100冰箱板可以处理多达120条同轴电缆(图 1)。定制板设计和连接器可以支持更高的互连密度。

电缆

图 1:稀释冰箱“吊灯”中的每个 ISO 100 接头最多可以有 120 个同轴电缆连接。

密度很重要

随着量子计算机中量子比特数量的增长,对高密度连接器解决方案的需求也在增长。业界已经并且正在开发几种替代方案来满足该需求。下图为一组开发了用于量子计算机的柔性微波电缆。这些柔性电缆组件支持简化的高密度连接解决方案,包括:

· 可扩展、紧凑的外形

· 导热系数低

· 简化安装

· 集成滤波和信号衰减

电缆

图 2:用于量子计算机的柔性微波电缆可以支持简化的互连解决方案。

另一种解决方案是基于高密度安装恒定阻抗触点来提供板级解决方案。该系统旨在与现有的冰箱和低温恒温器 RF 线路配合使用,并提供额定频率为 18 GHz 的高密度解决方案。该系统包括可连接到 SMA 连接器的板安装插座触点和线束。它提供三种不同的外壳配置,最大的支持 188 个连接,使用四个小尺寸子外壳。根据型号的不同,一次插入操作最多可配接 47 个微波连接器。

该系统可以用更高密度的解决方案取代现有的微波连接器和电缆,将外部微波电缆通过密封接头连接到冰箱或低温恒温器的每一层,直至量子比特。这些连接器具有盲插恒定阻抗和非磁性触点。它可以包括嵌入式衰减器,用于通过单个单元实现多种功能的大规模连接,从而取代 SMA 连接器和衰减器。外壳可用于改造现有冰箱,每个端口最多可连接 64 个连接,从而通过一次插头操作即可连接所有 64 条线路(图 3)。

接头

图 3:密封接头可以通过一次插入操作连接量子计算机中的多达 64 个端口

联动同轴衰减器和连接器

联动同轴衰减器和连接器可用于支持许多高速线路的量子计算机冰箱。它们采用无氧高导热性 (OFHC)、铜和镍铬 (NiCr) 等尖端材料在导热晶体石英电介质上制成。这些成组组件显著增加了互连密度,衰减变化最小,低至 3 mK。它们支持高达 12 GHz 的带宽,并且在 5 GHz 时具有 ±1 dB 的插入损耗。16 通道外形尺寸比传统 SMA 型设备小 94%,适合 290 mm2的面积,而传统设计的面积约为 5000 mm2(图 4)。

连接器

图 4:这种联动连接器/衰减器比 SMA 型替代品小 94%

可扩展的量子计算机互连

除了将量子处理器连接到外部世界的困难之外,量子计算机设计人员还面临着将各个量子位互连成一台计算机的挑战。由于量子计算机与经典计算机本质上不同,经典信息通信技术不适用于量子计算机。唯一的相似之处是必须准确地传输和接收信息。

量子信息比经典信息更复杂。通过一种称为叠加的现象,量子信息可以同时为1和0。量子信息可以由光子携带。因此,量子信息非常脆弱,无法使用传统方法进行传输。

波导用于提供量子计算机所需的互连。波导可以是单向的或双向的。传统的波导是单向的,只能在一个方向上移动光子,从左到右或从右到左。使用单向波导使得扩展量子计算机及其互连变得具有挑战性。此外,单向波导需要额外的组件来保持其方向性,从而引入通信错误的可能性。

当一个量子比特发射一个光子时,除非使用容易出错的定向波导,否则光子传播的方向是完全随机的(图 5)。为了克服这一限制,研究人员使用了两个量子比特和一种所谓量子干涉的特性,来影响概率振幅并确保发射的光子沿所需方向传播。这两个量子位被置于称为贝尔态的单激发纠缠态。

当量子位处于贝尔纠缠态时,光子在两个位置同时发射到波导,并且两个发射相互干扰。产生的光子发射必须根据贝尔态内的精确相位向右或向左传播。通过控制贝尔态相位,就可以控制光子穿过波导的方向。反转相同的技术可以使光子在调谐到与光子相同的能量频率的第二个模块处被接收。

使用贝尔状态来控制光子行进的方向可实现 96% 的保真度;如果将贝尔状态调整为向右发送光子,则 96% 的时间它都会向右移动。当前实施例仅包括单个模块。下一步将是对多个模块使用相同的技术来发射和吸收光子(传输和接收量子信息)。如果成功,集成多个模块可能会导致开发可扩展的量子计算机架构,将许多小型量子处理器模块连接成更大、更强大的量子计算机。

概念图

图 5:量子计算机中定向波导的概念图

【总结】

随着量子计算机包含的量子比特数量不断增加,它们对与外界的高密度连接的需求也在增长。业界已经引入了几种新方法来支持量子计算机的高密度连接,包括联动连接器、密封连接器接头和柔性电缆。业界还正在进行研究,以实现将多个小型量子模块可扩展地连接到一个大型而强大的量子计算机中。

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