保持超低温环境新方法：功耗降至十分之一！

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量子比特是量子计算机的主要构建部分，然而热量会导致量子比特容易出错，因此量子系统通常保存在超低温稀释制冷机内，可以将温度保持在绝对零度（−273.15℃）以上。

但是量子计算机需要与超低温稀释制冷机外处于室温环境中的电子设备通信，而连接这些电子设备的金属电缆会将热量带入制冷机，制冷机只能消耗更多的电能来保持系统冷却。此外，如果增加量子比特的数量，就需要更多的电缆，因此制冷机能转移的热量限制了量子系统的大小。

为了克服这一挑战，麻省理工学院的一个跨学科团队开发了一种无线通信系统，使量子计算机能够使用高速太赫兹波与制冷机外的电子设备传递数据。

制冷机内放置了可以接收并传输数据的收发器芯片，太赫兹波通过玻璃窗射入冰箱，将编码到这些波上的数据传递给芯片。同时，芯片还充当镜子，将来自太赫兹波上的量子比特的数据反射回去。这个过程中，芯片还会反射传到制冷机内的大部分能量，因此产生的热量极少。这种非接触式通信系统的功耗只是使用金属电缆的系统功耗的十分之一。

电气工程和计算机科学系（EECS）的副教授、太赫兹集成电子集团领导者Ruonan Han说：“虽然这只是一个初步的原型，还有一些改进的空间，但使用这种反射模式后制冷机内部的功耗已经比使用金属电缆低了很多，我们相信这是构建大规模量子系统的一种方法。”

Han和他的团队拥有太赫兹波和电子设备方面的专业知识，副教授Dirk Englund和量子光子学实验室团队拥有量子工程专业知识，他们一起合作，进行低温实验。他们将在国际固态电路会议上发表这项研究论文。

收发芯片为方形，边长约2毫米，被放置在制冷机内的量子计算机上。该计算机被称为低温恒温器，其超低的温度环境不会损坏芯片，反而能使它们更高效地运行。该芯片从低温恒温器外部的太赫兹波源发送和接收数据，其中的反射过程也被称为反向散射的无源通信过程。芯片顶部设置了一组天线，每一个尺寸只有约200微米，充当微小的镜子。这些镜子可以“打开”或“关闭”。

当小镜子“打开”时，可以进行设置，使它们直接反射原始波，或者先反转其相位再反射。如果反射波相位不变，则表示0；如果相位反转，则表示1。低温恒温器外部的电子设备可以解析这些二进制信号以解码数据。处于“关闭”状态时，这些天线可以接收太赫兹波及其携带的数据。

Han说：“我们将反向散射技术应用到这个非常独特的场景中，有效结合了各种优秀技术。”

使用高速太赫兹波传输数据有很多优势。太赫兹波位于无线电波和红外光之间的电磁频谱上，其波长比无线电波小得多，因此芯片及其天线也可以更小，设备更容易大规模制造。太赫兹波的频率比无线电波高，可以更快地传输数据和信息；而其频率又低于光子系统中使用的光波，因此携带的量子噪声较少，对量子处理器的干扰较小。

重要的是，可以完全采用标准制造工艺在CMOS芯片上构建收发器芯片和太赫兹链路，因此可以将他们集成到许多当前的系统和技术中。

Jinchen Wang说：“CMOS的兼容性很重要。例如，一个太赫兹链路可以提供大量数据，并将其输送到另一个cryo-CMOS控制器，该控制器可以分离信号以同时控制多个量子比特，从而大大减少RF电缆的数量。这是很有前景的。”

该系统的原型能以每秒4千兆比特的速度传输数据，但Han认为，提速还有很大空间。非接触式系统的下行链路产生的热量比带有金属电缆的系统少约10倍，并且在实验过程中，低温恒温器的温度也只有几毫米的波动。

现在，研究人员希望使用只有几百微米宽的特殊太赫兹光纤，来提高系统的速度和效率。Han的团队已经证明，这些塑料线能以每秒100千兆比特的速度传输数据，并且比金属电缆具有更好的隔热性。

研究人员还希望改进收发器的设计，从而提高可扩展性和能源效率。由于产生太赫兹波需要很多能量，Han的团队正在研究使用更低成本芯片的有效方法，从而使设备更具成本效益。

编译：颖茜

编辑：慕一