耗电量减少10倍！MIT中国学者提出量子系统保持低温的新方法

光子盒研究院出品

近日，麻省理工学院的团队提出了一种全新的收发器芯片(transceiver chip)，通过将其放置在量子计算机外部的制冷机内，实验团队得以低能耗地传输信息[1]。这一发现将有望建立大规模的量子系统。

热量会导致作为量子计算机构件的量子比特出现错误，因此量子系统通常被保存在稀释制冷机内，保持温度略高于绝对零度（-459华氏度）。

但是，量子计算机需要与制冷机外的电子装置在室温环境下进行通信。连接这些电子设备的金属电缆将热量带入制冷机；因此，制冷机需要消耗额外的电力来保持系统的低温。此外，更多的量子比特需要更多的电缆；因此，量子系统的大小受限于制冷机能够减少多少系统内的热量。

为了克服这一挑战，麻省理工学院的一个跨学科研究小组开发了一个无线通信系统，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进行数据收发。这个反射过程也将送入制冷机的大部分功率反弹回来，所以这个过程只产生了极少的热量。与使用金属电缆的系统相比，这种非接触式通信系统的耗电量最多可减少10倍。

这张图片显示了研究人员开发的一个收发器芯片(transceiver chip)，它被放置在一个容纳量子计算机的复杂制冷机内；该芯片利用高速太赫兹波向制冷机外的电子装置发送和接收数据。

“通过这种反射模式，我们真正节省了制冷机内的电力消耗。虽然这还只是一个初步的原型，我们还有一些改进的余地，但即使在这一点上，我们已经展示了制冷机内的低能耗远比金属电缆好。我相信这可能是建立大规模量子系统的一种方式。”作者韩若楠说。

韩若楠目前是美国麻省理工学院电子工程系的终身副教授。他于2007年在复旦大学获得微电子学学士学位，于2014年在康奈尔大学获得电机工程博士学位，并获得康奈尔电机工程最佳博士论文奖。他的研究领域包括毫米波、太赫兹集成电路，高稳定度微型时钟，面向量子计算及感应的电子系统等。

韩若楠和他的团队拥有太赫兹波和电子设备方面的专业知识，他们与副教授Dirk Englund和量子光子学实验室团队联手参与了此次低温实验；该论文将在国际固态电路会议(International Solid-State Circuits Conference，ISSCC)上发表[2]。

研究人员的方形收发器芯片，每边尺寸约为2毫米，被放置在制冷机内的量子计算机上，这些超低温不会损害芯片；事实上，它们使其能够比在室温下更有效地运行。

芯片使用一种被称为“反向散射(backscattering)”的无源通信过程发送、接收来自制冷机外的太赫兹波源的数据，该过程涉及反射。芯片顶部的天线阵列，每个天线的大小只有大约200微米，作为微小的“镜子”：这些镜子可以被“打开”以反射波或“关闭”。

太赫兹波发生源将数据编码到它送入低温箱的波上，而处于“关闭”状态的天线可以接收这些波和它们携带的数据。

当微小的镜子被打开时，它们可以被设置为要么以当前的形式反射一个波、要么在将其反弹回来之前反转其相位。如果反射的波具有相同的相位，那就代表|0⟩；但如果相位颠倒，那就代表|1⟩。低温箱外的电子装置可以解释这些二进制信号以解码数据。

“这种反向散射技术并不新鲜。例如，射频识别(RFID)就是基于反向散射通信的。我们借用这个想法并把它带入这个非常独特的场景，我认为这导致了所有这些技术的良好结合。”韩若楠说。

实验数据利用高速太赫兹波进行传输，太赫兹波位于无线电波和红外光之间的电磁波谱上。

因为太赫兹波比无线电波小得多，所以芯片及其天线也可以更小，这将使该设备更容易大规模制造。太赫兹波的频率也比无线电波高，因此它们可以更快地传输数据，并传输更大的信息量。

但由于太赫兹波的频率比光子系统中使用的光波低，太赫兹波携带的量子噪声较少，这导致对量子处理器的干扰较少。

重要的是，收发器芯片和太赫兹波可以完全用CMOS芯片上的标准制造工艺构建，因此它们可以被集成到许多当前的系统和技术中。

实验团队表示，“CMOS兼容性很重要。例如，一个太赫兹链路(terahertz link)可以传递大量的数据，并将其传送到另一个低温CMOS控制器，该控制器可以分割信号以同时控制多个量子比特，因此，我们就可以大大减少射频电缆的数量。”

现在，研究人员已经证明了这种无线技术，他们希望使用特殊的太赫兹纤维来提高系统的速度和效率，这种纤维只有几百微米宽。韩若楠的研究小组已经表明，这些塑料线可以以每秒100千兆比特的速度传输数据，并且比金属线具有更好的热绝缘性。

研究人员还希望完善他们的收发器设计，以提高可扩展性并继续提高其能源效率。产生太赫兹波需要大量的电力，因此，韩若楠的小组正在研究利用低成本芯片的更有效方法。

可以预见的是，将这种技术纳入系统可以使该设备更具成本效益。

参考链接：

[1]https://news.mit.edu/2023/new-way-quantum-computing-systems-keep-their-cool-0221

[2]https://www.isscc.org/

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