麻省理工學院研發新型柔性低温電纜以解決量子系統接線瓶頸問題

量子計算機的擴展一直面臨一個看似不起眼但卻讓人頭痛的障礙：電纜。麻省理工學院林肯實驗室的研究人員開發出一種新型的靈活低温電纜，旨在解決量子系統開發中的一個持久工程難題——如何在不超過熱負載或物理空間的情況下，可靠地傳遞低噪音的電信號進出稀釋冷卻器。

靈活低温電纜解決量子系統中的熱負載問題

量子系統中的電纜瓶頸量子處理器必須在接近絕對零度的低温下運行，通常低於 20 毫開爾文，以維持量子比特的相干性。每根進入稀釋冷卻器的電纜都帶來熱負載——從室温經過各個冷卻階段所傳導的熱量。隨著量子比特數量增長到數百或數千，控制和讀取線的數量也相應增加，傳統剛性同軸電纜的累計熱洩漏可能超過冷卻器的冷卻階段所能處理的範圍。剛性電纜在低温下也會引入機械應力，因為不同材料之間的熱膨脹差異可能導致疲勞、間歇性接觸故障或在反覆的熱循環中出現斷裂。

熱負載和機械脆弱性相結合，使得電纜成為量子硬件開發中一個鮮少討論但實際上非常困難的限制因素。

靈活電纜架構與材料的解決方案林肯實驗室團隊的方案著重於使用專門為低温靈活性而選擇的材料和幾何形狀構建電纜。根據研究，這些電纜設計為在低温下仍保持柔韌，而不會變得脆弱，這是許多聚合物絕緣電纜在低於 77 開爾文時的常見行為。在毫開爾文温度下實現柔韌性需要仔細選擇材料。許多標準電纜絕緣材料，包括常見的氟聚合物，隨著温度的降低會變得相當僵硬，使得在稀釋冷卻器的緊湊多階幾何形狀內布線和安裝變得困難。

團隊的設計旨在同時實現降低電纜長度上的熱導率和保持機械合規性——這兩個性能並不容易同時優化。降低熱導率部分是通過選擇導體材料和電纜幾何形狀來實現的。不銹鋼和銅鎳合金在低温微波電纜中是常見選擇，因為它們的熱導率低於銅，從而限制熱洩漏，儘管這會導致較高的電阻。林肯實驗室的電纜似乎在延續這一理念的同時，解決了剛性同軸電纜無法滿足的靈活性限制。

靈活電纜提升量子系統的整體性能

與多量子比特控制系統的整合此項工作的實際目標是需要密集、有組織的布線系統的量子系統。一個擁有 1,000 個物理量子比特的系統，當分別計算控制、讀取和通量偏置通道時，可能需要幾千條獨立信號線。在稀釋冷卻器的有限內部空間內安裝和整理如此多的剛性電纜，並同時保持每個温度階段的可接受熱性能，並非易事。靈活的電纜可以沿著彎曲路由、緊湊地捆綁，並在降温過程中無風險地安裝，將減少組裝時間並提高布線配置的可重複性——這對於任何嚴肅的製造或部署環境均為相關。

對於正在研發下一代量子處理器集成的工程師而言，電纜層是一個可以實現增量改進的領域，這些改進能直接轉化為系統級的可行性。

不過，此項工作仍然存在一些未解的問題。長期在反覆熱循環下的性能、在整個低温範圍內的微波頻率信號完整性，以及與特定稀釋冷卻器平台的兼容性，都需要仔細的特性測試，才能考慮這些電纜是否適合量產。密集布線中的插入損失和相鄰線路之間的串擾也是需要在運行温度下進行嚴格測量的額外參數，而不是在室温下的代理測試。

量子硬件工程的更廣泛背景電纜問題是圍繞量子處理器更廣泛的一系列經典工程挑戰的一部分——這些領域包括低温放大器、多路讀取電子學和熱管理，雖然這些領域相比量子比特相干時間受到的關注較少，但卻對系統架構師能建造的內容施加了同樣真實的約束。對互連層的進展，包括靈活的低温電纜，提升了量子系統規模的實際上限，而無需對量子比特物理本身進行任何前進的改進。