热量会导致量子比特产生错误，量子比特是量子计算机的组成部分，因此量子系统通常保存在冰箱中，温度保持在绝对零度以上(-459华氏度)。

但是，量子计算机需要在室温环境下与冰箱外的电子设备进行通信。连接这些电子设备的金属电缆将热量带入冰箱，冰箱必须更加努力地工作，并消耗额外的电力来保持系统冷却。此外，更多的量子位需要更多的电缆，这使量子系统的大小受到冰箱可以带走多少热量的限制。

为了克服这一挑战，麻省理工学院（MIT）研究人员的跨学科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部的电子设备发送和接收数据。

放置在一个装有量子计算机的复杂冰箱中的收发器芯片。该芯片利用高速太赫兹波向冰箱外部的电子设备发送数据，并从电子设备接收数据。（来源：MIT）

放置在冰箱内部的收发器芯片可以接收和传输数据。冰箱外面产生的太赫兹波通过玻璃窗射进来。芯片可以接收编码到这些波上的数据。该芯片还充当一面镜子，将它反射的太赫兹波上的量子位数据传递给它们的来源。

这一反射过程也将送入冰箱的大部分能量反射回来，因此这一过程只产生极少量的热量。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功耗，并将所有这些脏工作留在了外面。虽然这仍然只是一个初步的原型，我们还有一些改进的空间，但即使在这一点上，我们已经展示了冰箱内部的低功耗，这已经优于金属电缆。我相信这可能是建立大规模量子系统的一种方式，”电子工程和计算机科学系副教授、太赫兹集成电子学组组长韩若楠（Ruonan Han）说。

韩和他的团队在太赫兹波和电子设备方面具有专业知识，他们与Dirk Englund副教授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，并参与进行低温实验。

小巧的镜子

研究人员的方形收发器芯片，每边长约2毫米，放置在冰箱内的量子计算机上，这被称为低温恒温器，因为它保持低温。这些超低温不会损坏芯片；事实上，它比在室温下运行得更有效率。

该芯片使用被动通信过程(称为反向散射，涉及反射)从低温恒温器外部的太赫兹波源发送和接收数据。芯片顶部的天线阵列，每一个只有200微米大小，就像一面小镜子。这些镜子可以“打开”来反射波，也可以“关闭”。

太赫兹波发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。

当微型镜子打开时，它们可以设置为反射当前形式的波，或者在反射回来之前反转相位。如果反射波的相位相同，则表示0，但如果相位相反，则表示1。低温恒温器外部的电子设备可以解释这些二进制信号，以解码数据。

“这种反向散射技术并不新鲜。例如，RFIDs基于反向散射通信。我们借用这个想法，并把它带到这个非常独特的场景中，我认为这导致了所有这些技术的良好结合，”韩说。

太赫兹优势

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，这将使该器件更容易大规模制造。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，移动更大量的信息。

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，这样对量子处理器的干扰更少。

重要的是，收发器芯片和太赫兹链路可以用标准制造工艺完全构建在CMOS芯片上，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cryo-CMOS控制器，后者可以分割信号，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。这是非常有前途的。

研究人员能够以每秒4千兆位的速度传输数据，但韩说，提高速度的空间如同天空。非接触式系统的下行线路造成的热负荷比金属电缆系统少10倍左右，实验期间低温恒温器的温度波动高达几毫度。

现在，研究人员已经展示了这种无线技术，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。韩的小组已经证明，这些塑料线可以以每秒100千兆比特的速度传输数据，并且比更粗的金属电缆具有更好的隔热性能。

研究人员还希望改进收发器的设计，以提高可扩展性并继续提高其能效。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方法。将这项技术整合到系统中可以使设备更具成本效益。

收发器芯片是通过英特尔大学航天飞机项目（Intel University Shuttle Program）制造的。

原文链接：

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