来源：Ingrid Fadelli，Phys.org；电子科技大学太赫兹科学技术研究中心 郭子靖 编译

    量子计算机是利用量子力学效应处理信息的设备，在某些复杂优化和计算任务中可能超越经典计算机。然而，在这些系统大规模应用之前，仍需克服一些技术挑战。 

    其中一项挑战是如何有效连接在低温环境下运行的量子比特（qubit）与在较高温度下运行的外部控制器。现有的连接方法依赖同轴电缆或光互连，但这两种方式均不理想，因为它们会引入过多热量和噪声。 

    麻省理工学院（MIT）的研究团队近期致力于克服这些连接量子比特与控制器的技术局限，以解决现有连接电缆的常见问题。他们发表在《自然•电子学》上的论文提出了一种基于互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的无线太赫兹（THz）低温互连方案。该方案能在高效传输量子信息的同时，最小化量子处理器中的热量积累。 

    论文第一作者Jinchen Wang向Phys.org解释道：“在量子计算机中，低温环境下的总功率预算极为有限。其逻辑是：如果系统内部过热，即使外部耗费数百万瓦功率也无法维持低温。然而，每个将室温电子设备连接到低温系统核心的微波电缆引入了大约1 mW的不需要的被动热流。谷歌的50量子比特计算机需要500多根微波电缆来传输控制信号并接收读取数据，这使它不具备可扩展性。” 

    要充分发挥量子系统的潜力，需要集成数万甚至数百万个量子比特，而使用现有微波电缆几乎无法实现这一目标。Wang及其团队尝试通过无线链路来突破这一限制——该链路既能传输控制信号又能接收读取数据，且不会引入被动热负荷。 

    Wang进一步说明：“由于量子计算机内部是真空环境，这构成了理想的热绝缘体。从技术上讲，任何无线数据收发器都能工作。但天线尺寸与频率成反比。为确保天线足够小以适应低温工作站，我们需要将无线频率提升至200-300 GHz。这带来了重大挑战，因为在低温工作站内本地生成太赫兹信号不可行，其直流到太赫兹的转换效率过低。” 

    为解决该问题，研究人员采用了背散射通信技术。其核心思想是：无需在量子处理器的低温工作站内安装高功耗的太赫兹源，而是将其置于室温环境的外部，从而不影响功耗。 

    Wang描述道：“太赫兹波作为载波被发送至低温工作站，在那里被量子系统核心的读取数据调制后反射回来。这实现了收发器通信而无需消耗过多能量——类似于镜子反射光线的原理。我们还采用了交叉极化技术（上下行链路共享同一天线但使用不同极化以节省空间）以及零功耗的无源太赫兹探测器（冷FET太赫兹探测器）来进一步优化设计。” 

    这套无线太赫兹低温互连系统目前仍处于早期开发阶段。但在初步测试中，其性能已超越带I/O驱动器的商用微波电缆（pJ/bit量级），下行链路能效达34 fJ/bit，上行链路为200 fJ/bit。 

    Wang团队提出的方法未来有望推动量子计算机的大规模部署，使其更易扩展。值得注意的是，这种新型无线互连方案成本低廉，可采用标准商用CMOS技术制造。 

    Wang补充道：“我们在论文中从理论上证明，太赫兹链路是此类场景中最具前景的数据传输技术之一。下一步计划设计多通道太赫兹数据链路，在低温工作站外采用太赫兹相控阵天线，以取代本项目使用的笨重太赫兹喇叭天线。这将进一步减少辐射热负荷并提升可扩展性。预计我们的成果将在4-8年内助力实现真正的量子计算系统。” 

    更多信息：Jinchen Wang等，《最小化热-信息传递的无线太赫兹低温互连》，Nature Electronics (2025)。DOI: 10.1038/s41928-025-01355-9