连接器如何满足量子计算需求?

Martin Spooner 观察到，量子计算和高量子比特机器的发展推动了对用于控制和读出量子处理器的微波电缆需求。

传统上，控制和读出线是由配有 SMA 连接器的单独同轴电缆提供。但是，由于使用了 8 毫米六角连接螺母，因此它们提供的封装有限。该形式还需要额外的空间，才能在安装过程中使用工具。

一种基于SMPM接口(DC频率范围达到65GHz的微型接口)的高密度、多路连接器，不仅可以在给定的空间内有更多的同轴线，而且还简化了稀释制冷机 (DR) 内的安装和定制。使用 SMA 连接器的典型间距限制在大约 16 毫米，而这些高密度连接器的间距设计为 4.75 毫米(图 1)。SMPM 接口提供了简单的推入配合连接，只需要一个六角扳手即可拧紧两个紧固件。

冷却条件

量子处理器需要在接近绝对零的温度下运行，这可以使用 DR 来实现。

典型的 DR 有一个真空密封的顶板和一些在此之下的冷却阶段，在最低阶段达到低于20mK 的温度。每个冷却阶段都由隔板/隔热板隔开，以最大限度地减少热传递。

电缆安装在每个级之间并通过馈通连接器连接，并且必须提供良好的热化。在不同温度阶段对电缆、衰减器和微波组件进行彻底热化，不仅对于减少 DR 的热负载很重要，而且对于减少系统内的热噪声也很重要。

玻璃气密密封在 DR 顶部提供真空密封，每个大气压的气密性为 1×10−8 CC He/Sec(图 2)。这些可以合并到定制设计的顶板以及标准 ISO 或 KF 型板中。根据连接器配置，典型的 ISO 100 板可以支持多达 120 条同轴电缆。定制板可以支持更多的同轴电缆。

不同的冷却阶段之间需要标准的非密封馈通板，这些板通过简单的机加工工艺，来加工出安装孔以接受连接器。连接器主体包含一个法兰，该法兰紧靠板的顶面或底面，以提供热化并关闭任何辐射路径。

顶部到底部组件的“同轴电缆棒”可以使用衰减器块、电缆类型和材料进行定制，以提供从室温到所有冷却阶段到低温水平的连接。

它们在室温下进行射频 (RF) 测试，可提供高达 40GHz 的直流电阻、回波损耗和插入损耗的测试数据。大多数应用的工作频率远低于此。

连接器组件由高纯度铜和铍铜加工而成，并镀金以提高导热性。如果需要，可以指定非磁性版本。这些连接器与 0.047 英寸(1.19 毫米)尺寸的同轴电缆兼容，并提供半刚性、柔性或适应性版本。

根据所需的热导率和衰减，半刚性电缆有铌钛、不锈钢、铜、白铜和铍铜，以及这些材料与镀银导体的组合。

为了最大限度地减少被动热负荷，通常首选导热率低的电缆材料，但是这通常与导电性差的电缆材料密切相关——除了超导体。带有镀银铜导体的柔性电缆通常用于从 DR 顶部进行连接，以便在室温下连接控制电子设备，并且可以使用传统的 SMA 连接器进行端接。一致的铜同轴选项通常用于最低级。

超导铌钛电缆通常用于量子应用，但这种材料即使不是不可能，也很难焊接。为了克服这个问题，CryoCoax 为这些高密度连接器以及传统的 SMA、2.92 和 SMP 连接器开发了无焊连接。

标准配置为 8 路、16 路和 24 路，带有光滑孔或全棘爪选项。连接器块可以组合在一起，以在 DR 中提供数百条同轴电缆。两个连接器块形成配对，一个具有完整的棘爪公 SMPM 接口，另一个具有光滑孔 SMPM 公接口，与安装在一对连接器块之间的“子弹”式母对母 SMPM 适配器结合使用。

子弹头适配器保留在完整的棘爪连接器块中。它们可以与 0dB、3B、6dB、10dB 和 20dB 版本的 8 路、16 路和 24 路衰减器模块结合使用(图 3)。衰减器抑制热噪声并提供中心导体的热化。

在国家物理实验室的协助下，CryoCoax 能够证明该设计在多次热循环中的低温可靠性。随后进行了内部耐久性测试，以确保射频性能和直流电阻在多次插拔循环后保持稳定。