栾添1 ，张铭2，3 ，许泽庆2，3 ，薛叙2，3 ，曹浩2，3 ，范书亭2，3 ，张志升2，3 ，陆兆辉2，3 ( 1． 中国电子科学研究院，北京 100041; 2． 安徽省量子信息高密度光电互连工程研究中心，合肥 230041; 3． 中国电子科技集团公司第八研究所，合肥 230041)

摘要: 高密度光电互连系统作为超导量子计算机的核心组成部分，为了避免禁运风险，掌握关键技术，国内相 关单位也启动研制代替产品。本文介绍了高密度微波互连系统产品的国内外进展，结合中国电科 8 所( 安徽省量 子信息高密度光电互连工程研究中心) 自主创新成果，从结构、性能等方面探讨了三代高密度信号总线方案，提出 了未来超导量子计算机高密度微波互连系统的发展方向，为尽快缩小与国外超导量子计算机的差距提供信号总线 互连技术的支撑。

关键词: 超导量子计算机; 信号总线; 超导量子比特; 高密度互连

Progress in signal bus interconnection technology for superconducting quantum computers

Abstract: High － density photoelectric interconnection system is the core component of superconducting quantum computer． In order to aviod the risk of embargo and master the key technology，domestic relevant enterprises have also started to develop alternative product． This paper introducced the development of high density microwave interconnection system products at home and abroad． Combined with the independent innovation achievements of the Eighth Ｒesearch Institute of China Electronics Technology Group Corporation( Anhui Quantum Information High Density Optoelectronic Interconnection Engineering Ｒesearch Center) ，the scheme of three generations high density signal bus from the aspects of structure and performance was discussed，and the development direction of high density microwave interconnect system of superconducting quantum computer in the future was puted forward ． In order to narrow the gap with the foreign superconducting quantum computer，as soon as possible to provide the support of signal bus interconnect technology．

Keywords: Superconducting quantum computer，Signal bus，Superconducting quantum bit，High － density interconnection

1 引言 

    量子计算机是一种正在研发中的下一代新型 计算机，量子计算因其强大的并行计算能力，有望 推动新一轮的信息科技革命。全球主要科技国均 已开展相关技术研发，积极布局和发展量子计算 相关产业。2023 年，量子计算的各技术路线未收 敛的特点愈发明显，各个路线均有不同程度上的 突破，全球量子计算的先驱者们伴随着量子纠错 的主趋势，正快速穿越中等规模含噪时代，超导量 子比 特 数 量 也 有 望 在 新 的 一 年 里 进 入 千 位 时代［1］。

    超导量子计算机的数据存储量随比特数 n 呈 幂指数增长，数据处理需要大量的超低温传输线缆及 组 件 传 输 量 子 芯 片 操 控 信 号 与 测 量 信 号［2 － 4］。高密度光电互连线路作为超导量子计算 机的核心组成部分，可实现在 － 273． 14 ℃ 的极低 温条件下进行微波传输，且具有 mK 级温区下隔 绝外界环境热噪声、维持超导( 零电阻、低损耗) 等特点，可以满足微弱量子读出信号传输到经典 计算机进行运算操作的需求。当操作的量子位数 增加时，还需解决成倍增加的传输线的相互影响， 以及大量传输线累积损耗产生的热噪声等一系列 问题。因此，需要在现有超低温传输组件系列研 究的基础上，突破密集超低温微波传输线系列组 件的成型技术，用于大规模超导量子计算及多通 道信号无损耗传输。本文重点论述了超导量子计 算机所用高密度微波互连技术方案、研究进展及 未来超导量子计算机信号总线发展方向。

2 国内外研究进展 

    目前，国外针对 100 比特超导量子计算机的 高密度微波互连系统有 Bluefors、Oxford、CryoCoax ( Intelliconect) 等公司可以提供。如 图 1 所 示， Bluefors 高密度微波互连系统兼容 XLDsl 系列制 冷机型，最大工作频率 18 GHz，密封通道内支持 168 路高密度集成，衰减器模块集成在冷盘内，形成衰减通道与多通道连接器互连，每衰减器支持 10 dB、20 dB。Oxford 高密度微波互联系统适配 于 Triton 系统，同轴线缆自带热沉，具有易升级安 装，提高测试能力的优点，最大工作频率 18 GHz; 衰减器可选范围 0 ～ 20 dB。CryoCoax 开发了基 于 SMPM 接口的高密度连接器，不仅允许在给定 空间内使用更多同轴线，而且简化了稀释制冷机 的安装和定制，可在室温下进行射频测试，并可在 高达 40 GHz 时提供直流电阻，回波损耗和插入损 耗的测试数据。国内外高密度微波互连系统对照 如表 1 所示。

    高密度微波互连系统需要大量的镀银铜镍微 波电缆组件、铜镍微波电缆组件、铌钛微波电缆组 件。目前国际上超导量子计算机所需的超低温传 输线缆组件产品主要由日本的 Coax、Keycom 公司 和荷兰初创公司生产，但成本过高。该电缆由中心 和外部导体上的低导热金属材料组成，低导热率的 金属材料可最大程度地降低外界的低温影响［5］。 2016 年成立的荷兰初创公司，主要提供低温 同轴电缆 Cri /oFlex Ⓒ系列产品，可以帮助监视和 控制量子比特，包括一些用于传输微波信号的专 用电缆。目前，量子计算机专用的同轴电缆几乎 由上述几家公司垄断。美国 DAＲPA 在 2021 年 8月发布高密度连接器低温电缆项目的招标，要求 工业界确定开发高密度连接低温电缆的可行性， 以便将来用于超导经典计算、超导量子计算以及 超导单光子探测器阵列［6］。目标是为超导电子 应用创造一种新型高密度数据电缆，具有高密度、 低衰减、低串扰和低热负荷等特点。目前，国外公 司向国内供货时对用途和使用单位审查严格，也 面临禁运风险。

    基于该背景下，国内开始出现研制适用了超 导量子计算机的高密度微波互连系统的研制单位 及替代产品。中国电科 8 所、南京乾海等企业，对 低温微波线缆、导热工艺、模块集成等技术进行研 究，研制出一系列替产品，但许多核心器件和线缆 仍然依赖于进口。中国电科 8 所为了打破国外垄 断，避免禁运风险，聚焦超低温传输线缆组件产 品，开展三代高密度光电互连研究。

研制实物研制实物及测试数据如图 3 所示， 高密度光电互连系统整体设计图如图 4，装机图 及低温测试数据如图 5 所示。

3 基于单线集成的第一代高密度信 号总线

    超导量子比特通过高密度信号总线( 见图 6) 与量子计算机互连。首先研制的第一代高密度信 号总线主要由密封微波集成模块、传输线集成模 块、微波热沉集合模块这三个模块组成。微波密 封集成模块主要实现稀释制冷机外部装备( 常温 环境) 与稀释制冷机内部装备( 极低温环境) 之 间的微波信号传输互连，并具有保持稀释制冷机 内部超低温、高真空的功能［7 － 12］。传输线集成模 块主要实现制冷机内部与冷盘之间的微波信号传 输互连功能。微波热沉集合模块主要是为了隔离 高温区热噪声，通过每一级热沉集成模块的隔离 衰减，满足超导量子比特工作在超低温环境下的 苛刻操作环境。中国电科 8 所研制的第一代高密 度信号总线，能够为超导量子计算机工作提供所 需的气密性、高密度超低温高密度微波互连系统， 突破超低温环境下的高密度集成微波互连技术 ( 168 通道/Φ100 mm) 。

4 基于带状线集成的第二代高密度 信号总线

    为了扩大量子超导量子计算机的规模、减少 噪声和提高稳定性，研制了第二代高密度信号总 线，用柔性带状电缆取代了以前的量子处理器所 使用的同轴电缆，同时还加入了集成滤波功能。 第二代高密度信号总线( 见图 7) ，能够适应超导 量子计算机工作所需的气密性、高密度、柔性带状 微波互连系统，能够突破超低温环境下的柔性带状微波互连技术( 320 通道/Φ100 mm) 。该柔性 带状电缆适用于低温环境，电阻和热阻是量身定 做的，可以帮助微波信号传输，同时不传导可能干 扰量子比特的太多热量。这使得芯片的连接数量 可增加 77 % ，几乎是第一代线缆的两倍，这有助 于扩大超导量子计算机的规模。

    第二代半高密度信号总线系统集成通过微波 源与任意波形发生器小型集成到制冷机内，减少 外界环境通过互连总线对芯片的影响，可实现更 高密度的柔性带状信号互连总线完成集成模块与 芯片的互连。第二代高密度信号总线未来将需要 解决下列几个方面的技术问题: ( 1) 柔性带状材料 工艺技术; ( 2) 更高密度的芯片封装技术; ( 3) 超小 连接器微组装技术; ( 4) 低温微波源集成技术等。

5 基于光纤集成的第三代高密度信 号总线

    美国国家标准与技术研究所( NIST) 的物理学 家已经测量并控制了一个使用光纤而非金属电线的 超导量子比特，通过试验发现光纤可用于构建具有 强大计算与处理能力的百万量子比特超导量子计算 机。如图8 所示，光纤( 箭头所示) 代替了金属电缆 来测量和控制超导量子计算机中的量子比特。

    超导量子计算机工程项目研发首先要求建立 强大和可靠的硬件系统，由于实现超导量子计算 机的巨大难度，对硬件设备本身提出了很多极其 苛刻的要求，这是由于超导量子计算机稳定工作需要隔绝外界热噪声影响，同时保证真空环境; 采 用微波线路互连方案，随着量子比特数的增多，沿 微波线路引入的热噪声难免会影响低温系统环 境，导致芯片运行受到影响。

    低温光载微波信号传输系统是开展大规模超 导量子计算研究的可行路径之一。国际上美国国 家标准与技术研究所( NIST) 进行了该技术路径 的研究，并通过一组对比实验( 见图 9) 来证实其 可行性。首先研究人员在室温下产生微波脉冲， 一组实验通过光纤链路将光信号引导至低温光电 探测器，该探测器将信号转换回微波，然后将其传 递到量子比特; 另一组实验则直接通过普通同轴 金属电缆将微波输送到量子比特。实验结果显示， 两种方式均可以测量或控制量子比特的量子状 态，但低温光载微波信号传输系统方案更容易扩展到大规模量子比特的计算功能。为了隔绝热噪 声，同时无信号干扰，通道体积极小，具有极易扩 展到大规模量子比特计算功能的优势，研制了低 温光载微波信号传输系统用于操控量子比特。该 系统主要由低温光纤链路、低温量子光电器件及 低温微波控制线路组成，中国电科 8 所研发的超 导量子计算机低温光载微波信号传输系统的整体 组成框图如图 10 所示。

    中国电科 8 所研制的低温光载微波信号传输 系统控制超导量子比特步骤如下: 首先将微波调 控光信号通过图 11 所示的密封输入光接口从常 温环境传输到 42 K 低温环境，然后利用低温量子 光电器件实现光电信号转换，最后通过低温微波 控制线将微波调控信号通过图 11 所示的输出接 口传输到超导量子芯片的低温环境中，实现对约 瑟夫森结的操控。

    该系统验证了国外低温光载微波信号传输系 统技术的可行性，研制的低温光载微波信号总线， 具有隔绝热噪声的先天优势( 经过 3． 2 K 低温测 试，1 m 低温光纤链路衰减变化 0． 15 dB) ，同时无 信号干扰，通道体积极小，也具有极易扩展到大规 模量子比特计算功能的优势。第三代高密度信号 总线未来还需要在低温光电材料及信号转换、低 温器件集成、芯片封装等技术方面做进一步研究。

6 结论

    ( 1) 国外高密度微波互连系统产品已经相对 成熟，随着超导量子计算机产业的发展，国内也在 进行互连系统关键技术攻关，实现产品国产化。

    ( 2) 基于单线集成的高密度信号总线( 168 通 道/Φ100 mm) ，能够为超导量子计算机工作提供所 需的气密性、高密度超低温高密度微波互连系统。

     ( 3) 基于带状线集成的高密度信号总线( 320 通 道/Φ100 mm) ，扩大量子超导量子计算机的规模、减 少噪声和提高稳定性，未来还需突破柔性带状材料 工艺、更高密度的芯片封装、超小连接器微组装、低 温微波源集成等技术。

     ( 4) 基于光纤集成的高密度信号总线，具有 隔绝热噪声的先天优势，相比前两代通道体积极 小，具有极易扩展到大规模量子比特计算功能的 优势。未来还需解决低温光电材料及信号转换、 低温器件集成、芯片封装等技术。

参考文献 

［1］付振宇，刘凌旗，陈羽臻，等． 量子计算技术发展路线 与趋势分析［J］． 中国电子科学研究院学报，2021，16 ( 8) : 813 － 819． 

［2］张珂． 超导量子器件制备技术及工艺研究［D］． 南京: 南京大学，2017． 

［3］杨真． 超导量子比特器件制备与测控 ［D］． 南京: 南 京大学，2019． 

［4］汪冰． ，刘俊夫，秦智晗，等． 浅谈超导量子比特封装 与互连 技 术 的 研 究 进 展［J］． 电 子 封 装，2023，23 ( 10) 100207． 

［5］Ｒosenberg D，Weber S J，Conway D，et al． Solidstate qubits: 3D integration and packaging ［J］． IEEE Microwave Magazine，2020，21( 8) : 72 － 85． 

［6］汪书娜，余慧勤，原蒲升，等． 低温互联柔性线的研制 ［J］． 低温与超导，2022，50( 7) : 85 － 96． 

［7］Jin Y Ｒ，Zheng D N． The road to long coherence time superconducting quantum bits［J］． Chinese Science Bulletin，2017，62( 34) : 3935 － 3946． 

［8］Oliver W D，Welander P B． Materials in superconducting quantum bits［J］． 2017，62( 34) : 3935 － 3946． 

［9］于杰平，王丽． 中美量子计算研发现状对比分析及启 示［J］． 世界科技研究与发展，2022，44( 1) : 35 － 45． 

［10］郭光灿，陈以鹏，王琴． 量子计算机研究进展［J］． 南 京邮电大学学报，2020，40( 5) : 3 － 10． 

［11］Gong M，Wang S Y，Zha C，et al． Quantum walks on a programmable tow － dimensinal 62 － qubit superconducting processor［J］． Science，2021，372( 6545) : 948 －952． 

［12］Huang H L，Wu D C，Fan D J，et al． Superconducting quantum computeing: A review［J］． Science China， 2020，63( 8) : 59 － 90．