低溫與訊號傳輸

同軸佈線

量子晶片待在製冷機的最底層,比深空還冷,可每個量子位元仍然需要來自上方溫暖世界的指令:用微波脈衝去翻轉它,再讓返回的微波回聲把它讀出來。這些訊號沿著同軸纜線往下走,就是有線電視用的那種帶屏蔽的圓形線,只不過這裡又細又半硬,從室溫一路通到晶片。平均每個量子位元要用一到幾根這樣的纜線,所以纜線數量會隨機器規模一起膨脹。

之所以用同軸纜線,是因為它能屏蔽掉外界雜訊、保護脆弱的微波訊號,並在長距離傳輸中保持訊號形狀。但同一根把訊號往下送的纜線,也會把熱往下送,因為金屬既導訊號也導熱。工程師靠把每根纜線錨定到製冷機的冷板上,並沿途插入衰減器和濾波器來對抗它,這些元件能剝掉室溫雜訊,卻也給製冷系統增加了負擔。製冷機越往下、越冷的那幾級,能搬走的熱量只有涓涓細流,所以每多一根纜線,都要去搶那點稀缺的製冷預算。

這就是佈線瓶頸最直觀的實體形象。一塊有 100 個量子位元的晶片,已經需要在製冷機裡盤繞幾百根纜線組成的叢林;想這樣擴展到幾千、幾百萬根根本行不通,因為纜線塞不下,它們帶進來的熱量也會把晶片烤過能工作的臨界點。目前最被看好的出路,比如做成能在低溫下運行的控制電子學(低溫 CMOS),或者把許多訊號多工到一根線上,都很有希望,但仍處於早期,尚未在大規模上得到驗證。

cables ~ k * N_qubits (k roughly 1 to a few)

纜線數量幾乎隨量子位元數線性增長,所以有 N 個量子位元的機器大約要 N 根量級的纜線;正因如此,樸素的每路控制一根線的佈線,無法觸及一台有用機器可能需要的幾百萬個量子位元。

並沒有什麼基礎物理在阻止同軸佈線工作;限制是平凡而殘酷的——纜線既佔地方又帶熱量,而一台製冷機能塞下的纜線和能搬走的熱量都是有限的。

又稱
coax cabling同轴电缆同軸纜線