A Modular Cryogenic Link for Microwave Quantum Communication Over Distances of Tens of Meters

蘇黎世聯邦理工學院團隊打造出全長 30 公尺的極低溫微波量子通訊鏈路，能在 6.5 天內將傳輸通道降溫至 50 mK 以下，並將微波光子的訊號衰減控制在 0.03 dB 內。此硬體架構讓不同稀釋冷凍機內的超導量子位元可直接進行資訊交換，成功繞過了當前微波與光學訊號轉換的技術瓶頸。

蘇黎世聯邦理工打造 30 公尺微波量子通訊鏈路

串聯多個量子處理器以形成具備擴展性的運算網路，是實現大規模量子運算的關鍵途徑。目前的超導量子電路通常需要在毫開爾文（millikelvin）等級的極低溫環境中運作，以避免熱雜訊干擾並維持系統的基態。雖然學界持續研發微波對光學的訊號轉換技術，企圖利用常溫光纖來連接不同節點，但目前仍面臨轉換效率過低、頻寬受限及附加雜訊過高等嚴峻的技術挑戰。

相較於光學轉換，在極低溫環境中直接傳輸微波光子，能提供接近百分之百的高保真度與雙向通訊能力。為此，研究團隊設計出這套跨越數十公尺的實體鏈路，讓兩個獨立的超導量子晶片能在極低溫環境下互連。這不僅能支援分散式量子演算法的執行，更具備進行無漏洞貝爾測試所需的非局域性資源，為未來的量子區域網路提供了極具潛力的基礎建設。

採用 WR90 波導管與八角形輻射屏蔽模組

為了在長達數十公尺的跨距內維持極低溫，該硬體架構從標準的稀釋冷凍機汲取靈感，建立了一套具備 4 個溫度階層（50K、4K、1K 以及 10mK）的同心銅製輻射屏蔽系統。核心通訊通道採用了 WR90（美國電子工業聯盟波導管標準）規格的矩形鋁製波導管，而非傳統的超導同軸電纜，原因是波導管在相同材質下的微波傳輸損耗可大幅降低。實驗測量顯示，該波導管的衰減係數低於 1 dB/km，意味著在 30 公尺的系統中，微波光子的內部損耗極小，遠低於端點接頭所產生的損耗。

為了兼顧組裝與維修的便利性，整體傳輸系統被拆解為四種基本單元：負責覆蓋長距離的鏈路模組、連接終端節點的轉接模組、吸收熱縮位移的編織線模組，以及安裝在中段以補充冷卻能力的冷卻單元。有別於傳統稀釋冷凍機的圓柱狀設計，團隊刻意將屏蔽層設計為「八角形」截面，透過平整的表面大幅簡化了編織線法蘭、機械支架與溫度感測器的安裝流程。

導入 MLI 絕緣與 OFE 純銅的熱管理設計

建構巨型極低溫系統的最大挑戰，在於精準控制表面熱輻射與結構傳導兩大熱負荷來源。在常溫的實驗室環境中，長達 30 公尺的 50K 輻射屏蔽層表面積約為 20 平方公尺；若僅依賴裸露的銅表面，會承受高達 200 W 的熱輻射，導致該層溫度飆升至 250 K，使冷卻徹底失效。因此，團隊在屏蔽層外部包覆了 30 層 MLI（多層絕緣材料），將輻射發射率大幅降低，成功使熱輻射負荷從 6.4 W/m² 驟降至約 1 W/m²。

在實體支撐結構上，為了降低熱傳導效應，選用了經過立體光刻與回火處理的 Bluestone（一種 3D 列印奈米複合材料），其在抗拉強度與低熱導率之間展現了優異的平衡。負責傳導排熱的輻射屏蔽層，則全面採用 OFE（無氧電子級）高純度銅。測試數據指出，OFE 銅在 4.2K 極低溫下的熱導率高達 1400 W/(Km)，幾乎是一般電解銅的兩倍。同時，針對 10mK 的底溫層，由於金屬接觸面的熱阻效應遠大於銅材整體的熱阻，團隊盡可能減少接觸點，並運用 Apiezon N 低溫潤滑脂與電解拋光技術來將接觸熱阻降至最低。

克服 125 毫米冷縮位移與 6.5 天的冷卻週期

當大型系統從室溫（293 K）降至毫開爾文等級時，銅與鋁材質每公尺會收縮高達 3 到 4 毫米；在完整的 30 公尺鏈路中，波導管的整體熱脹冷縮位移量高達 125 毫米。為避免收縮應力扯斷機械結構，團隊在模組之間導入了具備額外長度的紅銅編織線，並在鋁製波導管下方安裝包覆鐵氟龍的黃銅滑軌，確保其具備足夠的滑動空間。

另一個棘手的物理現象是，當鋁製波導管的溫度降至 1.2 K 以下時，會進入超導相變階段，此時其熱導率會呈斷崖式下跌，在 50 mK 時降至 10⁻⁶ W/(Km)，等同於熱絕緣體。為此團隊每隔 0.20 公尺就密集使用銅編織線，將波導管與底溫屏蔽層強制進行熱耦合。在完整的運作實測中，長度 5 公尺、10 公尺與 30 公尺的系統，分別需要 2 天、3.5 天與 6.5 天即可完成降溫程序。受限於 O 型環接點微量的氣體擴散，系統目前能連續維持極低溫運作的極限約為 6 個月。

每 15 公尺配置冷卻單元可延伸至 120 公尺

基於 30 公尺系統取得的真實運作數據，研究團隊進一步運用熱力學模型評估微波量子通訊網路的物理極限。系統擴展的底線建立在 3 個不可逾越的硬體門檻：4K 屏蔽層不得超過 5.2 K、1K 屏蔽層不得超過 1.2 K，以及維持量子位元基態所需的底溫層必須低於 50 mK。

在完全不增加任何中繼冷卻設備的情況下，模擬顯示單一鏈路的最大極限長度約為 20 公尺，超過此距離，4K 溫度層將率先突破安全限制。然而團隊的計算指出，只要每隔 15 公尺增設一組額外的脈衝管冷卻單元（針對 50K 與 4K 層進行散熱補充），整條低溫鏈路的最大有效長度就能大幅延伸至 120 公尺。此項預測數據證實，利用現有的模組化硬體架構來連接相鄰建築物內的超導量子電腦，在工程實踐上已具備高度可行性。

模組化的極低溫實體鏈路有效解決了長距離微波光子的損耗難題，為未來建構跨建築物的超導量子運算區域網路奠定了關鍵的硬體基礎。