Криогенная оценка характеристик коммерческого микроэлектромеханического переключателя SP4T для приложений квантовых вычислений

Почему уменьшение проводки важно для квантовых компьютеров

Для создания полезных квантовых компьютеров, вероятно, потребуется миллионы чувствительных квантовых битов, или кубитов, охлаждённых до температур, близких к абсолютному нулю. В современных машинах каждый кубит соединён с громоздкой электроникой при комнатной температуре собственным кабелем — это похоже на попытку проводить каждый уличный фонарь напрямую на электростанцию. В этой работе исследуется, может ли крошечный механический переключатель, уже продающийся для повседневной радиочастотной электроники, надёжно работать при экстремально низких температурах и помочь решить проблему прокладки проводки.

Регулировщик дорожного движения для квантовых сигналов

Современные сверхпроводящие квантовые компьютеры размещают свои чипы с кубитами примерно в десятитысячных долях градуса выше абсолютного нуля, внутри специализированных холодильников. Сигналы управления и считывания идут сверху от приборов при комнатной температуре через стопки металлических пластин, фильтров и усилителей. По мере масштабирования места и мощности охлаждения уже недостаточно, чтобы выделить по кабелю на каждый кубит. Авторы сосредотачиваются на альтернативе: размещении «мультиплексоров» рядом с холодным чипом кубитов. Эти устройства действуют как регулировщики движения, перенаправляя сигналы между множеством кубитов с использованием гораздо меньшего числа кабелей сверху. Исследование оценивает коммерческий одноходовой четырёхпозиционный (SP4T) микроэлектромеханический (MEMS) переключатель — по сути маленькую движущуюся металлическую балку, которая может соединять одну входную линию с одной из четырёх выходных — как строительный элемент для таких криогенных мультиплексоров.

Крошечные движущиеся балки, которые «любят» холод

В отличие от обычных транзисторов, MEMS‑переключатель работает за счёт механического сгибания микроскопического металлического кантилевера до касания контакта при приложении напряжения. Команда использовала численное моделирование и эксперименты в криогенной пробной станции при примерно 5,8 кельвина, чтобы выяснить, как это движение и электрические характеристики меняются в холоде. Они обнаружили, что зазор, который должна пересечь балка, едва меняется с температурой, поэтому напряжение, необходимое для её подёма, падает лишь немного — примерно на три процента — вместо того чтобы буйно дрейфовать, как в старых конструкциях MEMS. После замыкания контактное сопротивление между металлическими частями фактически улучшается более чем на 15% при низкой температуре, потому что сопротивление металлов падает по мере затухания тепловых колебаний. Радиочастотные испытания до десятков гигагерц показали, что потери сигнала через переключатель остаются ниже полуватта децибела в ключевом диапазоне 4–8 гигагерц, используемом многими сверхпроводящими кубитами, тогда как изоляция между каналами держится лучше 35 децибелов. Проще говоря, переключатель пропускает нужный сигнал чисто, при этом надёжно блокируя нежелательные наводки, и в ряде показателей работает даже лучше в холоде, чем при комнатной температуре.

Укрощение криогенного эффекта отскока

Эксплуатация при таких низких температурах, однако, выявила неожиданную проблему: отскок. Корпус переключателя запаян с небольшим количеством газа внутри. При охлаждении этот газ конденсируется и оставляет почти вакуум, устраняя воздушную подушку, которая обычно гасит движение балки. В результате при ударе балки о контакт она может звонить как маленький колокольчик, многократно открываясь и закрываясь в течение примерно 150 микросекунд. Это вызывает колебания электрического выхода и может нарушать чувствительные квантовые сигналы. Тщательно сформировав управляющий импульс напряжения, исследователи нашли способ замедлить балку незадолго до удара и уменьшить её отскок. Их разработанная форма волны кратковременно применяет более высокое напряжение для начала движения, затем падает до более низкого уровня, так что балка прибывает почти с нулевой скоростью, прежде чем перейти на удерживающий уровень. Аналогичная последовательность применяется при отпускании балки. Такая стратегия немного удлиняет время переключения до примерно 3,3 микросекунды, но почти полностью устраняет отскок и по‑прежнему соответствует требованиям многих схем временного мультиплексирования считывания.

Доказательства долговечности и простой логики при ультранизких температурах

С усовершенствованной формой управляющего импульса команда неоднократно циклировала MEMS‑переключатель при низкой температуре и отслеживала его работу. Даже после более чем ста миллионов операций вкл/выкл формы переключающих импульсов и сопротивление в замкнутом состоянии оставались стабильными, что указывает на отличную механическую и электрическую надёжность в криогенной среде. Затем они проверили весь SP4T‑устройство — один вход, перенаправляемый на четыре разных выхода — показав, что сигналы можно чисто направлять на любую выбранную выходную линию, активируя соответствующий управляющий электрод. Используя то, как эти переключатели можно соединять последовательно или параллельно с простыми резисторами, авторы также продемонстрировали базовые цифровые элементы, конкретно функции NAND и NOR, при 5,8 кельвина. Эти эксперименты дают понять, что такие механические устройства могут не только служить пассивными элементами маршрутизации, но и поддерживать некоторую встроенную логику рядом с кубитами.

Что это значит для будущих квантовых машин

Для неспециалиста основной вывод таков: готовый к использованию механический радиопереключатель способен надёжно работать при температурах всего в несколько градусов выше абсолютного нуля и по ряду параметров даже работает там лучше. Устройство практически не потребляет мощности в режиме ожидания, вносит очень мало шума и потерь сигнала и может переключаться по крайней мере 100 миллионов раз без заметного износа, при этом маршрутизируя сигналы по нескольким путям и выполняя простую логику. Некоторые препятствия остаются — такие как необходимость ещё большего ускорения для самых быстрых управляющих задач и уменьшение медленного «зарядного» эффекта в диэлектрических слоях — но результаты убедительно указывают на то, что коммерческие MEMS‑переключатели являются перспективными строительными блоками для плотных, энергоэффективных сетей проводки, необходимых для соединения миллионов кубитов в крупномасштабных квантовых компьютерах завтрашнего дня.

Цитирование: Lee, YB., Devitt, C., Zhu, X. et al. Cryogenic performance evaluation of commercial SP4T microelectromechanical switch for quantum computing applications. Microsyst Nanoeng 12, 72 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01178-4

Ключевые слова: аппаратное обеспечение квантовых вычислений, криогенная электроника, MEMS-переключатели, сверхпроводящие кубиты, мультиплексирование сигналов