量子计算机有望解决一些世界上最复杂的问题。在构建量子计算机时，制造互连是最复杂的问题之一。量子计算机需要能够承受低温的连接器，具有非磁性结构，在微波频率下以低损耗工作，以减少加热并改善数据传输。高密度的密封设计需要通过稀释冰箱“枝形吊灯”的多个阶段，并使信号接入点尽可能靠近量子处理器。
量子计算机中的控制线和读出线(I/ o)是使用传统同轴电缆以大规模并行配置实现的。随着量子计算机中的量子比特数量的增长，与外部世界的高密度连接需求也在增长。
本FAQ回顾了量子计算机互连的当前技术水平，介绍了几个最近引入的高密度替代品的例子，并通过查看在量子计算机内部开发高密度互连的工作来结束。
随着量子计算机的复杂性从几个量子比特增长到数百或数千个量子比特，对高密度互连的需求也成倍增长。量子计算机通常在低温稀释冰箱(“冰箱”)中运行。典型的冰箱设计有一个真空密封的顶部，下面有一系列冷却级，底部的冷却级包含低于20毫开尔文(mK)的量子比特。隔热隔板将冰箱各部分分开，以最大限度地减少热量传递。级之间的连接必须提供高水平的隔热。
将冰箱底部的量子比特连接到室温控制电子设备是一项复杂的布线任务。增加挑战的是，量子比特极其脆弱。量子计算机中对连接器的一些要求是:
- 非磁性材料及电镀
- 最大敏感性为105，最大，无场畸变
- 用于非空间关键系统的带六角螺母联轴器的SMA连接器可支持约16mm的间距
- 用于空间关键系统的SMPM连接器可以支持4.75 mm的间距，并提供简单的推合连接
- DC至26.5 GHz(用于SMA连接器)和DC至65 GHz(用于SMPM连接器)
根据连接器配置，标准ISO 100冰箱板可以处理多达120同轴电缆(图1)．定制板设计和连接器可以支持更高的互连密度。
密度很重要
随着量子计算机中的量子比特数量的增长，对高密度连接器解决方案的需求也在增长。为了满足这一需要，已经和正在拟订若干备选办法。一个小组已经为量子计算机开发了柔性微波电缆。这些柔性电缆组件支持简化和高密度连接解决方案，包括(图2)：
- 可扩展，紧凑的形式因素
- 导热系数低
- 简化了安装
- 集成滤波和信号衰减
另一种解决方案是基于恒阻抗触点的高密度安装，以提供板级解决方案。该系统旨在与现有的冰箱和低温恒温器RF线路相匹配，并提供额定为18 GHz的高密度解决方案。该系统包括板安装插座触点和电缆线束，可以连接到SMA连接器。它有三种不同的外壳配置，最大的支持188个连接，使用四个小尺寸的子外壳。根据型号的不同，一次插件操作最多可匹配47个微波连接器。
该系统可以用更高密度的解决方案取代现有的微波连接器和电缆，将外部微波电缆通过密封头连接到冰箱或低温恒温器的每一层，直到量子位。该连接器具有盲配合恒阻抗和非磁性触点。它可以包括嵌入式衰减器，用于多个功能的大规模连接，使用单个单元取代SMA连接器和衰减器。外壳可用于改造现有的冰箱，每个端口多达64个连接，使所有64条线与一个插头操作相匹配(图3)．
同轴衰减器和连接器
联动的同轴衰减器量子计算机冰箱也有连接器，可以支持许多高速线路。它们由尖端材料制成，如无氧高导热(OFHC)，铜和镍铬(NiCr)在导热晶体石英介质上。这些组合组件极大地提高了互连密度，衰减变化最小至3 mK。它们支持高达12 GHz的带宽，在5 GHz时的插入损耗为±1 dB。16通道的外形尺寸比传统的sma风格的设备小94%，适合290毫米2面积接近5000毫米2对于遗留设计(图4)．
可扩展量子计算机互连。
除了将量子处理器与外界连接的困难之外，量子计算机设计者还面临着将单个量子比特连接到一台计算机中的挑战。由于量子计算机与经典计算机有本质上的不同，经典的信息通信技术不适用于量子计算机。唯一的相似之处是信息必须准确地传输和接收。
量子信息比经典信息更复杂。通过一种被称为叠加的现象，量子信息可以同时是1和0，而不是1和0。量子信息可以由光子携带。因此，量子信息非常脆弱，无法使用传统方法进行传输。
波导用于提供量子计算机所需的互连。波导可以是单向的也可以是双向的。传统的波导是单向的，只能在一个方向上移动光子，从左到右或从右到左。使用单向波导使得扩大量子计算机及其互连具有挑战性。此外，单向波导需要额外的组件来维持其方向性，从而引入了通信错误的可能性。
当量子比特发射光子时，光子的传播方向完全是随机的，除非使用容易出错的定向波导(图5)．为了克服这一限制，研究人员使用了两个量子比特和一种称为量子干涉的特性来影响概率振幅，并确保发射的光子沿预期的方向运动。这两个量子比特处于单激发的纠缠态，称为贝尔态。
当量子比特处于纠缠贝尔状态时，光子在波导的两个位置同时发射，并且两个发射相互干扰。由此产生的光子发射必须向右或向左移动，这取决于贝尔状态内的精确相位。通过控制贝尔态相位，就可以控制光子在波导中的运动方向。反转相同的技术使光子被第二个模块接收，调谐到与光子相同的能量频率。
使用贝尔状态来控制光子运动的方向可以达到96%的保真度;如果贝尔态被调整到将光子发送到右边，它在96%的时间里都是朝那个方向移动。当前实施例仅包括单个模块。下一步将是在多个模块上使用相同的技术来发射和吸收光子(传输和接收量子信息)。如果成功，集成多个模块可能会导致开发可扩展的量子计算机架构，将许多小型量子处理器模块连接到更大、更强大的量子计算机。
总结
随着量子计算机所包含的量子位的数量不断增加，它们与外部世界的高密度连接的需求也在增长。为了支持量子计算机的高密度连接，已经引入了几种新方法，包括组合连接器、密封连接器头和柔性电缆。研究人员还在研究如何将多个小型量子模块扩展连接到一台强大的大型量子计算机上。
参考文献
通过量子验证的PkZ提高射频密度芝加哥凤凰公司
高密度连接器, CryoCoax
高密度同轴衰减器支持扩大低温和量子计算应用热烈的概念
新的量子计算架构可用于连接大规模设备、麻省理工学院
基于波导量子电动力学的按需定向微波光子发射《自然物理》
量子计算硬件代尔夫特电路公司
了下:连接器技巧
