无线技术帮助量子计算系统保持冷静

量子计算洞见

• 麻省理工学院的一个跨学科研究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向冰箱外的电子设备发送和接收数据。
• 这是对量子计算及其未来潜力日益增长的研究的一部分，因为我们达到了标准计算能力的极限。虽然其中大部分是理论和假设，但它是为未来建立这个集体知识库的更大努力的一部分。

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热量会导致量子比特产生误差，而量子比特是量子计算机的组成部分，因此量子系统通常被保存在冰箱中，冰箱的温度刚好高于绝对零度(-459华氏度)。

然而，量子计算机需要在冰箱外的室温环境中与电子设备通信。连接这些电子设备的金属电缆将热量带入冰箱，冰箱不得不更加努力地工作，并吸收额外的能量来保持系统的低温。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到冰箱能去除多少热量的限制。

为了克服这一挑战，麻省理工学院的一个跨学科研究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向冰箱外的电子设备发送和接收数据。

放置在冰箱内的收发芯片可以接收和传输数据。冰箱外产生的太赫兹波通过玻璃窗照射进来。编码到这些波上的数据可以被芯片接收。该芯片还起到了镜子的作用，将太赫兹波上的量子比特的数据传输到其源。

这个反射过程也会将送入冰箱的大部分能量反射回去，所以这个过程只产生了极少量的热量。这种非接触式通信系统的功耗比金属电缆系统低10倍。

“通过这种反射模式，你真的节省了冰箱内部的电力消耗，把所有肮脏的工作都留在了外面。虽然这只是一个初步的原型，我们还有一些改进的空间，即使在这一点上，我们已经证明了冰箱内部的低功耗已经比金属电缆更好。我相信这可能是建立大规模量子系统的一种方式，”高级作者、电气工程与计算机科学系(EECS)副教授、太赫兹集成电子集团负责人韩若南说。

Han和他的团队在太赫兹波和电子设备方面拥有专业知识，他们与副教授Dirk Englund和量子光子学实验室团队合作，后者提供了量子工程专业知识，并参与了低温实验。

与Han和Englund一起完成论文的有第一作者和EECS研究生Jinchen Wang;穆罕默德·易卜拉欣博士' 21;量子光子学实验室的研究生Isaac Harris;内森M.门罗博士' 22;穆罕默德易卜拉欣瓦西克汗博士' 22;项毅，前博士后，现华南理工大学教授。该论文将在国际固态电路会议上发表。

小镜子

研究人员的方形收发芯片，每边长约2毫米，被放置在冰箱内的量子计算机上，因为它保持低温，所以被称为低温恒温器。这些超冷的温度不会损坏芯片;事实上，它们使它比在室温下更有效地运行。

芯片从低温恒温器外部的太赫兹波源发送和接收数据，使用的是一种被称为反向散射的被动通信过程，其中涉及反射。芯片顶部的天线阵列，每个天线大约只有200微米大小，就像小镜子一样。这些镜子可以“打开”来反射波，也可以“关闭”。

太赫兹波产生源将数据编码到它发送到低温恒温器的波上，处于“关闭”状态的天线可以接收这些波及其携带的数据。

当这些小镜子被打开时，它们可以被设置成以当前的形式反射波，或者在反射之前反转波的相位。如果反射波的相位相同，这表示0，但如果相位相反，这表示1。低温恒温器外部的电子设备可以解释这些二进制信号来解码数据。

“这种反向散射技术并不新鲜。例如，rfid是基于反向散射通信的。我们借用了这个想法，并将其应用到这个非常独特的场景中，我认为这将导致所有这些技术的良好结合。”

太赫兹波的数据传输优势

数据通过高速太赫兹波传输，太赫兹波位于无线电波和红外光之间的电磁波谱上。

由于太赫兹波比无线电波小得多，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，传递更多的信息。

但由于太赫兹波的频率低于光子系统中使用的光波，太赫兹波携带的量子噪声更少，这导致对量子处理器的干扰更少。

重要的是，收发芯片和太赫兹链路可以完全用CMOS芯片上的标准制造工艺构建，因此它们可以集成到许多当前的系统和技术中。

“CMOS兼容性很重要。例如，一个太赫兹链路可以传输大量数据，并将其馈送到另一个冷冻cmos控制器，该控制器可以分割信号以同时控制多个量子位，因此我们可以大幅减少射频电缆的数量。这很有希望。”王说。

研究人员的原型能够以每秒4千兆比特的速度传输数据，但韩寒表示，在提高这一速度方面，天空几乎是极限。非接触式系统的下行链路造成的热负荷约为金属电缆系统的10倍，低温恒温器的温度在实验过程中波动高达几毫度。

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光纤来提高系统的速度和效率，这种光纤只有几百微米宽。韩的小组有这些塑料线可以以每秒100gb的速度传输数据，并且比粗壮的金属电缆有更好的隔热性能。

研究人员还希望改进他们的收发器的设计，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能量，但韩的团队正在研究利用低成本芯片的更有效的方法。将这项技术整合到系统中可以使设备更具成本效益。

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com。

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