下一个ASML？量子计算机被一根线卡了脖子

光子盒研究院出品

11月9日，IBM发布433比特超导量子处理器Osprey，实现这一目标源于从制冷、电子控制设备到布线的全方位升级。

在布线方面，IBM采用柔性带状电缆取代之前的同轴电缆。Osprey的柔性带状电缆适用于低温环境。电缆的电阻和热阻经过专门设计，可帮助微波信号流动，同时不会传导过多可能干扰量子比特的热量。

虽然IBM没有透露它的柔性带状电缆产自何处，但是想要知道这家厂商并不难，因为能够生产这种用于量子计算机的柔性带状电缆的厂商只此一家——Delft Circuits，中文“代尔夫特电路”。

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三位非量子计算专业人士创立

最近Delft Circuits销售主管Artem Nikitin在接受采访时透露，“我们总收入的三分之一来自量子计算，量子计算是我们的第一个滩头阵地。”但在2016年创立这家公司时，三位创始人没有一位是量子计算的专业人士。

首席执行官Sal Jua Bosman，2005年本科毕业于荷兰埃因霍温理工大学，就读的是工业设计专业，之后又到阿姆斯特丹大学深造，2011年获得理学硕士。在这期间，他做过很多工作，包括独立设计师、一家物联网公司的创始人（创业失败），甚至是高中物理老师。

首席运营官Daan Kuitenbrouwer，2016年硕士毕业于代尔夫特理工大学，硕士期间担任该校应用物理学硕士研究协会Master Dispuut的主席，还当过物理、数学和机械工程专业的助教，毕业后参与创立了Delft Circuits，当时Bosman正在代尔夫特理工大学攻读超导量子电路博士（后来退学了）。

从左至右：Daan Kuitenbrouwer和Sal Jua Bosman

首席财务官Paulianne Brouwer则是一位管理经验不那么丰富的管理人员，因为她长期是作为自由职业者。

根据Kuitenbrouwer的讲述，当时他在攻读应用物理学硕士学位，他通过代尔夫特的一位共同朋友认识了正在研究量子比特的Bosman。Kuitenbrouwer一直有创业的想法，量子产业是一个新领域，新项目的空间更大。恰好Bosman已经有了一个在量子领域开展业务的好主意。

在创办Delft Circuits之前，Bosman对普通计算机行业进行了深入研究。在代尔夫特理工大学攻读博士学位时，他注意到，目前构建量子计算机的方式，与那个高度分散且效率极高的行业完全不同。他表示：“在我攻读博士学位期间，量子技术在代尔夫特蓬勃发展，所有主要的美国科技公司都跃居榜首。但与此同时，它也非常业余。每个人都试图从头开始构建一台完整的计算机，科学家们正在自己焊接东西。”有一天，Bosman看到他的教授订购了一台非常昂贵的制冷机，上面有教授自己组装的电缆，他知道：这就是我的商业模式。

作为一名工业设计师，“我相信专业化。我一直在寻找每个人都需要并且没有人认为性感的东西，因为这样你就有了自己的市场。”

2016年，Kuitenbrouwer以实习生的身份进入Bosman之前创办的一家公司。随着时间的推移，这次实习发展成为Delft Circuits现在的业务。但在他们看来，如果没有第三个人Paulianne Brouwer的加入，Delft Circuits就不会是今天。她是公司背后的商业大脑。

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塑造量子比特布线的未来

目前大多数量子计算机使用的量子比特只能在接近绝对零度（-273.15摄氏度）的温度下运行，普通电缆无法应对这种情况，量子计算机的电缆必须：传输信号，但不传输热量。

2017年，Kuitenbrouwer和BosmanSal首次获得通过浸泡在液氦中的超导电缆传输微波信号的测量结果，并在当年的美国物理学会年会上进行了展示。

从第一个概念验证开始，他们做了几个试点项目，许多大型科技公司也在几年前开始了这项工作，因为I/O是扩展他们系统的瓶颈。然而，由于问题变得相当困难，他们中的许多人都成为了Delft Circuits的客户。

对于超导量子比特或硅自旋量子比特的量子计算机，需要将量子比特冷却到极低温度以保持其量子特性。根据设置的不同，每个量子比特需要两到五个（通常大约四个）通道来输入和输出微波信号到量子比特，再从量子比特输出。稀释制冷机很快就被这么多通道填满了。

此外，很难冷却到如此低的温度，也就是说，在低温下，最终需要兆瓦的能量才能去除毫瓦的热量，而且你想尽一切办法避免产生热量。然而，普通的同轴电缆会将热量从外部传导到量子计算机中；这就是为什么需要使用在超低温下不会导热的超导体。这解决了围绕热隔离的问题，然后就是集成所有这些通道，Delft Circuits通过使用光刻技术在柔性基板上进行集成。

输入和输出有三个功能要求：第一，通过电缆传输信号将信号从A传输到B。第二，信号调节，即对信号进行滤波、放大或衰减。第三，从电缆到量子比特或其他功能元件的接口。

目前，Delft Circuits已经实现了良好的传输和信号调节控制；下一步，他们正在开发自己的接口，与传统连接器相比，封装密度更高，因此可以连接更多的量子比特。

最后，主要挑战是大规模制造组件：Delft Circuits开发的是一种带状电缆，宽度仅为100微米，但长度为数米，当时尚不存在制造工艺。他们在内部完成所有这些工作。

Delft Circuits在代尔夫特量子园区拥有150平方米的内部制造和试生产设施。实验室拥有成熟的生产工艺，包括金属沉积、光刻、化学处理、高分辨率检测等等，能够在柔性基板上制造多层超导电路。2022年在代尔夫特扩建了一家电缆工厂。他们还拥有欧洲最大的研究洁净室之一，名为列文虎克实验室。

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从同轴电缆到柔性电缆

早期量子计算机布线采用的是同轴电缆，这在电信行业很常见。Kuitenbrouwer说，同轴电缆与几个圆形层一起工作，通过这些层可以发送信号。这适用于在量子系统中使用的高频信号。唯一的问题是当我们需要大量的电缆时，这使得它的可扩展性不强。例如，如果你想使用组件来放大或削弱信号，就不能将其集成到电缆中。

这些问题可以通过使用另一种类型的电缆来解决。“Delft Circuits不使用同轴电缆，而是使用带状电缆。这有几个优点。首先，电缆的尺寸要小得多，可以并排使用多根电缆，同时意味着我们可以在每根电缆上使用多个通道。此外，我们可以在电缆中集成其他组件，例如滤波器。这种结合使这些电缆更具可扩展性，并且可以应用于量子系统。”

这也是IBM采用柔性电缆取代同轴电缆的重要原因。该公司在发布433比特量子处理器时表示，新的柔性布线使线密度增加了70%，并将每条线的价格降低了5倍。这种布线还将提高系统的可靠性和可维护性。

IBM量子计算机中的同轴电缆（上）和柔性电缆（下）

Delft Circuits开发了一种名为Cri/oFlex的创新量子计算机电缆技术，产品名称Cri/oFlex代表Cryogenic i/o which is flexible（柔性低温i/o），这种柔性微波电缆具有以下特性：

• 随着量子比特数量的增加，缩小了外形尺寸，并可扩展
• 低导热性（3K–0.7K时每个通道的热负荷<4μW）
• 易于安装
• 集成信号衰减和滤波
• 高耐久性

如下图所示，该电缆采用聚酰亚胺和银的独特组合制成，可获得具有高微波性能和灵活性的极薄带状线通道。Bosman说：“我们正在制造的是柔性、微波和低温电缆。一次具有所有这些特性的电缆以前从未做过。”

带有SMA RF连接器的Cri/oFlex 3电缆

此外，该电缆集成了所有滤波组件（低通滤波器、带通滤波器和衰减器），以克服低温学中的传统微波工程挑战。通过集成所有必需的组件，可减少潜在的故障点和安装时间，并提高设置的鲁棒性。

Delft Circuits基于相同的技术提供三个不同的产品系列，但具有不同的规格和性能。这些产品适用于各种类型的应用，例如量子计算、天体物理学、光学、仪器仪表等。

1）Cri/oFlex 1

这些超柔性微波I/O电缆可满足扫描探针显微镜和其他振动敏感仪器的要求。这些低温RF电缆非常薄且具有柔性，可在传输信号的同时提供极小的振动耦合。Cri/oFlex 1系列具有薄至0.3毫米和窄至1毫米的微波传输线。

2）Cri/oFlex 2

这些单通道微波I/O电缆适用于制冷机中密集的样品空间。其体积小，可减少热负荷，从而允许在低温恒温器中增加微波线路的数量。柔性RF布线基于单片波导，相位稳定性实际上对振动或弯曲不敏感。Cri/oFlex技术从室温到低温都保持高度灵活。

3）Cri/oFlex 3

Cri/oFlex 3系列是该公司的旗舰产品，专为可扩展性而设计。使用具有分布式衰减和集成微波信号调节的信号线，几乎不需要额外的微波组件。由于体积小、热负荷低，Cri/oFlex 3支持大量信号线，可以安装在稀释制冷机内。柔性电缆包括多达八个并行通道，通道间间距为1毫米，级间无微波分流。

Cri/oFlex将柔性低温电缆与标准RF连接器相结合，提供单通道和多通道电缆的互连解决方案。例如，用于控制transmon量子比特的Cri/oFlex 2X电缆，见下图：

Delft Circuits还将其Cri/oFlex 3用于超导纳米线单光子探测器（SNSPD）阵列，SNSPD是实现量子通信网络的关键环节。在测试中，Cri/oFlex 3显示了与半刚性同轴电缆相当的性能，而在性能相当的情况下，柔性电缆就可以发挥可扩展性的优势。

左：柔性电缆在SNSPD中的应用；右：与同轴电缆的性能对比

Delft Circuits透露，迄今为止，公司已向全球五十多家客户交付了数百个Cri/oFlex布线解决方案。Delft Circuits还是荷兰量子生态系统IMPAQT的成员，与下图中其他5家公司合作开发量子计算机的完整堆栈。Bosman找到了他口中的“专业化市场”。

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