用于超导量子处理器的铝基低损耗互连

量子处理器是通过利用量子力学现象处理信息和执行计算的计算系统。这些系统在某些任务上可以在速度和计算能力方面明显优于传统处理器。

尽管在过去十年左右的时间里，工程师们开发了几个有前途的量子计算系统，但扩展这些系统并确保它们能够大规模部署仍然是一个持续的挑战。一项提高量子处理器可扩展性的策略需要创建包含多个较小量子模块的模块化系统，这些模块可以单独校准，然后排列成更大的架构。然而，这将需要合适且有效的互连(即用于连接这些较小模块的设备)。

南方科技大学、国际量子学院和中国其他机构的研究人员最近开发了低损耗互连，用于连接模块化超导量子处理器中的各个模块。NatureElectronics中介绍的这些互连基于纯铝电缆和片上阻抗变压器。

“我们最近的论文基于我在芝加哥大学的博士后研究的核心思想，该研究于两年前发表在《自然》杂志上，”进行这项研究的研究人员之一钟友鹏告诉TechXplore。“在那项研究中，我使用了铌钛(NbTi)超导同轴电缆来连接两个量子处理器。”

在他之前的一项工作中，Zhong尝试使用NbTi超导电缆连接两个不同的量子处理器，这通常用于设计低温/量子系统。为了减少连接损耗(即能量通过电缆从一个处理器传输到另一个处理器时固有的能量损耗)，他尝试将量子芯片直接线焊到连接的NbTi电缆上。

“我发现这非常困难，所以我想出了尝试用不同的超导金属制成的新电缆的想法，例如铝，与我们的量子电路的材料相同，”钟解释道。“用纯铝制成的同轴电缆在货架上并不容易买到，因为铝比铜损耗更大，更难焊接，因此不适合一般的布线应用。而且，它的超导转变温度低于液态氦的温度。除了量子互连应用，很少能找到需要纯铝同轴电缆的场景。”

为了创建新的低损耗互连，Zhongcustom订购了纯铝同轴电缆，并将它们与片上阻抗变压器集成在一起。与常规使用的基于NbTi电缆的互连相比，由此产生的互连表现出明显更少的损耗(即低一个数量级)，并且也很容易与量子芯片进行引线键合。

“事实证明，纯铝电缆是量子互连的完美选择，”钟说。“我们的互连包括定制开发的铝同轴电缆、电缆与量子芯片之间的引线键合连接以及量子芯片上的四分之一波长传输线，用作阻抗变换器。团队互连中的阻抗变换器将将线键合连接点连接到用于传输量子态的驻波模式的电流节点。这显着减少了不同量子处理器之间连接点的电阻损耗。

“我们的发现提醒我们，如果我们跳出框框思考，我们可以获得多少潜在的改进，”钟说。“例如，CharlesKao的工作为我们今天所熟知的光纤奠定了基础：它们以创纪录的0.2dB/km损耗成为现代全球通信网络的骨干——对于短途和长途通信来说都是不可或缺的。这项技术含量高且几乎被忽视的材料科学研究的变革性影响获得了2009年诺贝尔物理学奖的一半。另一个例子是不锈钢用于埃隆·马斯克的星际飞船火星火箭。”

这组研究人员最近的工作突出了铝电缆在开发有效互连以连接模块化量子系统中的处理模块方面的巨大潜力。Zong和他的同事们创建的低损耗互连很快就会被集成到其他模块化系统中，为开发更具可扩展性的量子处理器的持续努力做出贡献。

“在我未来的研究计划中，一个是探索跨不同量子处理器的量子纠缠门，”钟补充道。“另一个尝试通过将多个模块连接在一起来扩大量子处理器的尺寸。”