IEDM2024 | 量子计算机互连技术
引言量子计算机相比传统冯·诺依曼架构在特定应用中具有优势。量子计算机使用量子比特，这些量子比特可以同时处于经典状态（'0'和'1'）的叠加态，实现大规模并行计算，提高计算效率。但是，构建大规模量子计算机在技术上面临诸多挑战，特别是在低温环境下运行的互连技术方面。
图1：量子计算系统概览，展示了包括量子处理器、稀释制冷机和互连需求在内的各个组件。该图说明了系统不同部分的温度区域和制冷功率需求。
量子计算机的实际实现需要三个关键的互连组件：低温接口电子（CIE）互连、CIE晶体管和稀释制冷机（DR）互连。这些组件必须在极低温度下保持高性能和能源效率。
图2：量子计算机组件需求和候选方案的详细分析，展示了CIE互连、CIE晶体管和DR互连的具体要求。
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金属和超导互连技术
在CIE互连方面，多种材料在低温应用中表现出优良特性。虽然铜（Cu）因具有低电阻和良好的抗电迁移性能而在室温下广泛使用，但其他材料在低温环境下可能表现更好。
图3：各种金属和掺杂多层石墨烯（DMLG）的电阻特性分析，展示了电阻随温度的变化，证实了DMLG在低温下的优越性能。
超导材料为量子计算机互连提供了独特的可能性。铌（Nb）、铟（In）、锡（Sn）和铝（Al）等材料在临界温度以下可实现零电阻，适用于特定应用场景。
图4：CIE超导互连的详细分析，展示了临界温度以下的行为特性以及临界电流密度与温度/宽度参数的关系。
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热管理和性能优化
量子计算机设计中，热管理是核心问题。系统必须在维持量子比特运行所需的极低温度的同时，管理各组件产生的热量。
图5：CIE互连的综合评估，展示了热建模和功率密度分析，说明了不同材料在各种运行条件下的性能表现。
不同互连技术的性能会根据具体运行参数产生显著变化。因此，必须根据量子计算系统不同部分的具体要求仔细评估每种方案。
图6：CIE晶体管和互连技术组合的比较分析，展示了不同材料组合的标准化延迟和能量延迟积（EDP）指标。
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系统级互连和扩展性分析
对于大规模量子计算机，系统级互连的选择变得更加重要。稀释制冷机中不同温度区域之间的连接必须经过精心管理，以保持适当的运行条件。
图7：DR互连的热分析，展示了不同线缆选项的热负载计算和热导率特性。
量子计算机的可扩展性在很大程度上取决于互连技术的选择。研究表明，光纤电缆相比传统同轴电缆在大规模系统中具有显著优势。
图8：量子计算机扩展潜力分析，展示了不同互连选择如何影响系统可支持的最大量子比特数量。
通过谨慎选择和优化互连技术，研究人员正在努力创建可处理数千乃至数百万量子比特的实用大规模量子计算机。这对于实现量子计算在解决经典计算机无法处理的复杂问题方面的应用具有重要意义。
参考文献
Kumar, A. Kim, K. Agashiwala, L. Xu, A. Pal, W. Cao, and K. Banerjee, "Exploration and Analysis of Metallic, Optical, and Superconducting Cryo-Interconnects for Large-Scale Quantum Computers," in 2024 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM).
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