量子比特是量子計算機的主要構(gòu)建部分，然而熱量會導(dǎo)致量子比特容易出錯，因此量子系統(tǒng)通常保存在超低溫稀釋制冷機內(nèi)，可以將溫度保持在絕對零度（?273.15℃）以上。

但是量子計算機需要與超低溫稀釋制冷機外處于室溫環(huán)境中的電子設(shè)備通信，而連接這些電子設(shè)備的金屬電纜會將熱量帶入制冷機，制冷機只能消耗更多的電能來保持系統(tǒng)冷卻。此外，如果增加量子比特的數(shù)量，就需要更多的電纜，因此制冷機能轉(zhuǎn)移的熱量限制了量子系統(tǒng)的大小。

為了克服這一挑戰(zhàn)，麻省理工學(xué)院的一個跨學(xué)科團(tuán)隊開發(fā)了一種無線通信系統(tǒng)，使量子計算機能夠使用高速太赫茲波與制冷機外的電子設(shè)備傳遞數(shù)據(jù)。

制冷機內(nèi)放置了可以接收并傳輸數(shù)據(jù)的收發(fā)器芯片，太赫茲波通過玻璃窗射入冰箱，將編碼到這些波上的數(shù)據(jù)傳遞給芯片。同時，芯片還充當(dāng)鏡子，將來自太赫茲波上的量子比特的數(shù)據(jù)反射回去。這個過程中，芯片還會反射傳到制冷機內(nèi)的大部分能量，因此產(chǎn)生的熱量極少。這種非接觸式通信系統(tǒng)的功耗只是使用金屬電纜的系統(tǒng)功耗的十分之一。

電氣工程和計算機科學(xué)系（EECS）的副教授、太赫茲集成電子集團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)者Ruonan Han說：“雖然這只是一個初步的原型，還有一些改進(jìn)的空間，但使用這種反射模式后制冷機內(nèi)部的功耗已經(jīng)比使用金屬電纜低了很多，我們相信這是構(gòu)建大規(guī)模量子系統(tǒng)的一種方法?！?/p>

Han和他的團(tuán)隊擁有太赫茲波和電子設(shè)備方面的專業(yè)知識，副教授Dirk Englund和量子光子學(xué)實驗室團(tuán)隊擁有量子工程專業(yè)知識，他們一起合作，進(jìn)行低溫實驗。他們將在國際固態(tài)電路會議上發(fā)表這項研究論文。

收發(fā)芯片為方形，邊長約2毫米，被放置在制冷機內(nèi)的量子計算機上。該計算機被稱為低溫恒溫器，其超低的溫度環(huán)境不會損壞芯片，反而能使它們更高效地運行。該芯片從低溫恒溫器外部的太赫茲波源發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，其中的反射過程也被稱為反向散射的無源通信過程。芯片頂部設(shè)置了一組天線，每一個尺寸只有約200微米，充當(dāng)微小的鏡子。這些鏡子可以“打開”或“關(guān)閉”。

當(dāng)小鏡子“打開”時，可以進(jìn)行設(shè)置，使它們直接反射原始波，或者先反轉(zhuǎn)其相位再反射。如果反射波相位不變，則表示0；如果相位反轉(zhuǎn)，則表示1。低溫恒溫器外部的電子設(shè)備可以解析這些二進(jìn)制信號以解碼數(shù)據(jù)。處于“關(guān)閉”狀態(tài)時，這些天線可以接收太赫茲波及其攜帶的數(shù)據(jù)。

Han說：“我們將反向散射技術(shù)應(yīng)用到這個非常獨特的場景中，有效結(jié)合了各種優(yōu)秀技術(shù)?！?/p>

使用高速太赫茲波傳輸數(shù)據(jù)有很多優(yōu)勢。太赫茲波位于無線電波和紅外光之間的電磁頻譜上，其波長比無線電波小得多，因此芯片及其天線也可以更小，設(shè)備更容易大規(guī)模制造。太赫茲波的頻率比無線電波高，可以更快地傳輸數(shù)據(jù)和信息；而其頻率又低于光子系統(tǒng)中使用的光波，因此攜帶的量子噪聲較少，對量子處理器的干擾較小。

重要的是，可以完全采用標(biāo)準(zhǔn)制造工藝在CMOS芯片上構(gòu)建收發(fā)器芯片和太赫茲鏈路，因此可以將他們集成到許多當(dāng)前的系統(tǒng)和技術(shù)中。

Jinchen Wang說：“CMOS的兼容性很重要。例如，一個太赫茲鏈路可以提供大量數(shù)據(jù)，并將其輸送到另一個cryo-CMOS控制器，該控制器可以分離信號以同時控制多個量子比特，從而大大減少RF電纜的數(shù)量。這是很有前景的?！?/p>

該系統(tǒng)的原型能以每秒4千兆比特的速度傳輸數(shù)據(jù)，但Han認(rèn)為，提速還有很大空間。非接觸式系統(tǒng)的下行鏈路產(chǎn)生的熱量比帶有金屬電纜的系統(tǒng)少約10倍，并且在實驗過程中，低溫恒溫器的溫度也只有幾毫米的波動。

現(xiàn)在，研究人員希望使用只有幾百微米寬的特殊太赫茲光纖，來提高系統(tǒng)的速度和效率。Han的團(tuán)隊已經(jīng)證明，這些塑料線能以每秒100千兆比特的速度傳輸數(shù)據(jù)，并且比金屬電纜具有更好的隔熱性。

研究人員還希望改進(jìn)收發(fā)器的設(shè)計，從而提高可擴展性和能源效率。由于產(chǎn)生太赫茲波需要很多能量，Han的團(tuán)隊正在研究使用更低成本芯片的有效方法，從而使設(shè)備更具成本效益。

編譯：穎茜

編輯：慕一