Wireless millikelvin interconnects for superconducting quantum hardware

想象一个这样的未来：计算机可以解决当今超级计算机需要数千年才能破解的问题。这些就是量子计算机，它们功能极其强大，但也极其脆弱。为了工作，它们的微小脑细胞（称为量子比特）必须被保持在比外太空还要冷的温度下，置于一个被称为稀释制冷机的高科技大型冷却器中。目前，将这个冰冻的大脑与外部温暖的室温控制系统连接起来简直是一场噩梦。这就像试图将一千根细小且敏感的导线插入一个冰冻的雪球；这些导线占据了太多空间，而且它们会携带热量融化雪球，从而毁掉整个实验。科学家们正渴望找到一种无需这些物理导线就能发送信号的方法，希望利用无形的无线电波。但问题在于：在金属盒子里发送无线电波非常棘手，因为无线电波会像在哈哈镜里的光一样在墙壁上反弹，可能产生混乱的噪声，从而干扰精密的量子大脑。

这篇论文大胆地进入了这个冰冻且充满镜像的世界，旨在观察无线信号是否真的可以在不引发灾难的情况下与超导量子硬件进行通信。研究人员在一个真实的稀释制冷机内设置了一个“试驾”测试，将传统的物理导线法与新的无线链路法进行了对比。他们发现，令人惊讶的是，对于读取量子设备状态这一最重要的任务，无线方法的效果与导线法一样好。设备的“心跳”依然稳定且真实。然而，他们也发现制冷机的金属壁就像一面鼓，会导致一些杂散信号在周围反弹，从而产生一点额外的“静电”或干扰，而这在有导线的情况下是不会发生的。虽然他们可以用特殊的吸波材料来消除这种回声，但无法完全阻止杂散信号通过缝隙溜进来。这证明了无线连接是一条可行的路径，但也警告工程师们，需要将整个系统——包括导线、盒子和信号——作为一个整体进行设计，而不是简单地进行替换。

大实验：深冻中的导线 vs 波形

团队想要看看能否用一束微波（一种类型的无线电波）取代连接量子计算机与其控制系统的乱七八糟的导线束。为了测试这一点，他们制造了一个特殊的“发射器”（TX）和“接收器”（RX）模块，可以将聚焦的微波束射过制冷机的冷级孔洞。这就像是用激光笔瞄准目标一样，只不过他们使用的不是光，而是频率约为 10.6 GHz 的微波。

在冰箱内部，他们放置了一个超导谐振器——这是一个以特定频率振动的微型电路，就像是用于量子信号的音叉。这是用于读取量子比特状态的同类设备。他们并排进行了两项测试：一项是通过物理铜线连接谐振器（“有线”或 WRD 方法），另一项是通过空气发射信号（“无线”或 WLS 方法）。

好消息：无线信号奏效了！

结果令人兴奋。当研究人员对比两种方法时，他们发现无线波束完美地保留了谐振器的“本质”属性。

• 频率： 谐振器在两种模式下的振动频率完全相同。
• 品质： 内部品质因子（衡量振动“纯度”的指标）是相同的。
• 温度反应： 当他们将冰箱从寒冷的 20 毫开尔文（即 0.020 开尔文，仅比绝对零度高出一点点）逐渐升温至 3.0 开尔文时，谐振器对热量的反应在有线和无线模式下完全一致。

这表明，通过空气发送微波在本质上与精密的超导量子硬件是兼容的。量子设备的“声音”清晰且真实地传达了出来，证明了我们并不一定需要物理导线来与这些冰冻的大脑对话。

坏消息：回声室效应

然而，故事并非完美的童话。虽然主信号很清晰，但研究人员注意到一个微妙但重要的区别。与有线法相比，无线设置的“负载品质因子”（衡量信号传输效率的指标）略低。在所有温度下，它都一致地低了约 650 个单位。

为什么会这样？团队意识到，制冷机的内部是一个高反射率的金属盒。当他们发射微波束时，大部分信号直接到达了目标（“视线”路径），但也有部分信号从墙壁、屏蔽层和金属表面反弹，形成了“杂散”信号，绕了远路。这就像在洞穴里喊叫：你能清楚地听到自己的声音，但同时也会听到许多在墙壁上回荡的回声。

为了证明这一点，他们玩了一个开关的小把戏。他们物理性地阻断了从接收器到设备的直接路径。即使直接路径被阻断，设备仍然能“听到”信号，尽管信号变得微弱且有些失真。这证实了杂散信号在冰箱内部四处反弹，并通过墙壁找到了到达设备的方法，而不仅仅是通过预定的波束。

解决方案：消减回声

为了解决这个问题，研究人员在冷级和模块周围安装了特殊的射频吸收器（一种能够吸收无线电波的材料，类似于用于声音的隔音泡沫）。

• 未使用吸收器时： 信号充满了“涟漪”和波动，使得准确读取设备变得困难。回声淹没了信息。
• 使用吸收器后： 涟漪消失了，信号变得平滑且干净，几乎与未屏蔽的室温测试环境一致。

吸收器在消除回声方面表现出色，但并未解决全部问题。即使使用了这些泡沫，那微小的、持续存在的品质因子差异依然存在。这告诉我们，虽然我们可以阻止巨大的回声，但仍有一些微小的杂散辐射会通过非预期的路径溜进来。

这对未来意味着什么

这篇论文并不声称无线量子计算已经得到解决，但它证明了这个想法是可行的。核心结论是，无线链路可以工作，但它们引入了一种新的挑战：管理由金属盒本身产生的“噪声”。

作者建议，未来使用无线链路的量子计算机需要一种“协同设计”的方法。你不能只是在现有的盒子上添加一个无线天线；你必须将天线、盒子的形状以及量子芯片作为一个整体进行设计，以最大限度地减少这些杂散信号。这提醒我们，在量子计算的世界里，每一个表面都至关重要，即使是极小的额外噪声也会产生巨大影响。但通过正确的工程设计，让量子计算机摆脱导线束缚、自由呼吸的梦想正变得比以往任何时候都更加真实。