低溫導線與接頭

在超導量子電腦中，連接室溫控制電子設備和位於稀釋製冷機mK溫區的量子晶片的線纜和接頭，是至關重要但又極具挑戰性的環節。它們不僅要傳輸精密的控制和讀取信號，還必須在極端的溫度梯度下最大限度地減少熱傳和雜訊干擾。一個成功的低溫佈線系統需要在多個矛盾的需求之間取得平衡。

核心挑戰與設計要求

挑戰領域 具體要求與說明
熱管理
(Thermal Management)		 核心挑戰： 良好的導電材料通常也是良好的導熱材料。
  • 極低熱導率： 線纜必須具有極低的熱導率，以盡可能減少從室溫 (~300K) 到 mK 級的熱傳。過高的熱負載會超出製冷機的冷卻能力，嚴重限制可支持的量子位元數量。
  • 熱錨定 (Thermalisation)： 訊號線需在各溫級進行充分的熱化，通常透過熱錨和衰減器將線纜的雜訊溫度降低到接近該級的物理溫度。
訊號完整性
(Signal Integrity)		 核心挑戰： 在長距離和極端溫差下保持訊號不失真。
  • 寬頻性能： 在寬頻率範圍內（DC 到數 GHz）提供低損耗、低色散的傳輸特性，確保控制脈衝和讀出訊號的保真度。
  • 阻抗匹配： 在所有溫級都需保持良好的阻抗匹配 (通常為 50Ω)，以減少訊號反射。
  • 低串擾 (Crosstalk)： 具有高訊號隔離度，防止不同通道間的訊號互相干擾。
雜訊抑制
(Noise Mitigation)		 核心挑戰： 保護量子位元免受雜訊影響而導致去相干。
  • 抑制熱雜訊： 線纜會產生黑體輻射，需透過熱化和串聯衰減器來抑制這些雜訊光子。
  • 電磁屏蔽： 線纜需具備優良的屏蔽性能，以阻擋外部環境的電磁干擾 (EMI)。
  • 紅外濾波： 常整合紅外濾波器，以阻止高頻熱輻射沿介電層傳播。
可擴展性與緊湊性
(Scalability & Compact)		 核心挑戰： 「佈線瓶頸」是擴展量子電腦規模的主要障礙之一。
  • 高密度整合： 隨著量子位元數增加，線纜和接頭必須具有高密度、小尺寸的特點，以在有限的低溫空間內容納數百至數千條通道。
機械與材料可靠性
(Mechanical & Material Reliability)		 核心挑戰： 材料需承受劇烈的溫差和反覆的熱循環。
  • 低溫兼容性： 材料不能在低溫下變脆、開裂或性能顯著下降。不同材料的熱膨脹係數差異是設計上的關鍵考量。
  • 柔韌性： 柔性線纜有助於簡化在複雜製冷機內部耗時且易錯的安裝過程。
  • 非磁性要求： 需使用磁化率極低的非磁性材料，避免干擾對磁場敏感的量子元件 (如 SQUID)。
  • 氣密性 (Hermeticity)： 穿過真空外殼的接頭 (Feedthroughs) 必須達到超高真空的氣密性標準。
成本
(Cost)		 核心挑戰： 當前由於特殊的材料、複雜的製造工藝且市場需求尚未完整，高性能低溫線纜和組件非常昂貴。

低溫佈線的關鍵組件、材料與技術

為了應對在極端溫度梯度下正確傳輸微波脈衝信號，並最小化熱負載的需求，研究人員和供應商開發了多種類型的低溫導線、接頭與相關組件。 每種類型都在電路性能、熱學性能、機械可靠性和可擴展性之間做出了不同的權衡。以下將各關鍵組件整合整理如下：

組件類別 具體類型 核心特點與設計考量 主要應用
導線與線纜
(Wiring & Cables)		 低熱導同軸電纜
(Low-K Coaxial Cables)
  • 結構：分為提供較好屏蔽的半剛性(Semi-rigid)電纜和易於佈線的柔性(Flexible)電纜。
  • 材料：導體採用不銹鋼(SS)、銅鎳(CuNi)等低熱導合金；在最冷段使用鈮鈦(NbTi)等超導材料以兼顧零電阻和低熱導。
 傳統的RF訊號傳輸方案，經過低溫優化。適用於通道數較少或對成本較敏感的場合。
柔性帶狀線纜 / PCB
(Flexible Ribbon Cables)
  • 結構：在聚酰亞胺(Polyimide)等柔性基板上印刷多通道的微帶線。
  • 優點：高密度、極佳的柔韌性、低熱負載、易於集成無源元件。
 解決高密度和安裝便利性問題的現代主流方案。
雙絞線
(Twisted Pairs)
  • 結構：兩條絕緣導線互相絞合。
  • 特點：結構簡單、成本低，具備一定的抗共模雜訊能力。
 主要用於傳輸低頻類比信號或直流(DC)Bias signal。RF性能有限。
光纖
(Optical Fibers)
  • 特點：極低的熱導率和極高的帶寬潛力。
  • 優勢：從根本上解決熱洩漏和電磁干擾(EMI)問題。
 被認為是未來極具潛力的替代方案，尤其適合需傳輸大量數據或對熱負載極敏感的場合。
接頭與互連
(Connectors & Interconnects)		 標準RF同軸接頭
(Cryogenic/Non-Magnetic)
  • 類型：SMA, SMP, 2.92mm (K) 等接口的低溫非磁性版本。
  • 材料：使用無磁不銹鋼、鈹銅(BeCu)等金屬，以及PEEK或PTFE絕緣體。表面通常鍍金。
 用於單一線路的連接。
高密度接頭
(High-Density Connectors)
  • 類型：多端口同軸連接器、基於彈性觸點陣列的板對板/線對板接口。
  • 優點：顯著提高連接密度，簡化大規模系統的組裝和維護。
 應對不斷增長的通道數量。
氣密接頭 / 饋通
(Hermetic Feedthroughs)
  • 功能：將信號線從常壓環境引入超高真空低溫環境的關鍵接口。
  • 技術：採用玻璃-金屬或陶瓷-金屬密封技術，接頭體常用 Kovar 合金或不銹鋼，並提供標準真空法蘭接口 (如 KF, CF)。
 所有需要穿過真空外殼的線路都必須使用。
被動元件與熱管理
(Passives & Thermal)		 衰減器與濾波器
(Attenuators & Filters)
  • 功能：精密地集成在訊號線路中，用於衰減來自高溫級的熱雜訊、濾除不需要的頻段，並精確控制送達量子晶片的訊號功率。
 訊號線路中不可或缺的元件，用於雜訊管理和訊號調節。
熱錨 / 熱沉
(Thermal Anchors / Sinks)
  • 功能：將線纜在稀釋製冷機的各個溫級（如 4K、Still、Cold Plate）進行熱錨定，以逐步散去沿線纜傳導下來的熱量。
 管理線纜熱負載的核心手段，對於維持 mK 級的穩定溫度至關重要。


王培儒 硬體導論