用于量子计算应用的商业 SP4T 微机电开关的低温性能评估

为什么缩减连线对量子计算机很重要

构建有用的量子计算机可能需要数百万个精密的量子比特（qubit），并将它们冷却到接近绝对零度的温度。如今的系统为每个量子比特都连接了笨重的室温电子设备和单独的电缆，这有点像试图把城市中每个灯泡都直接接到发电厂。本文探讨了一种已经用于常规射频电子的微小机械开关，是否能在超低温下可靠工作，从而帮助缓解这种连线瓶颈。

为量子信号指路的“交警”

现代超导量子计算机将量子比特芯片置于距绝对零度约万分之几度的低温环境中，放在专用低温冰箱里。控制与读出信号从室温经由多层金属板、滤波器和放大器向下传输。随着系统规模扩大，根本没有足够的空间或制冷能力为每个量子比特配备一根专用电缆。作者关注的一种替代方案是：在冷端靠近量子比特芯片处放置“复用器”。这些器件像交通指挥员一样，用远少于量子比特数量的上行电缆，在多个量子比特之间切换信号。研究评估了一种商用单刀四掷（SP4T）微机电（MEMS）开关——本质上是一根可以移动的微小金属梁，用来将一个输入线路接到四个输出中的某一个——作为此类低温复用器的构件。

喜欢寒冷的微小活动梁

与普通晶体管不同，MEMS 开关通过物理地弯曲显微金属悬臂梁使其接触触点来工作，受控电压触发闭合。研究团队使用数值仿真并在约 5.8 开尔文的低温探针台上做实验，以观察这段运动和电学行为在低温下的变化。他们发现梁需跨越的空气间隙随温度几乎不变，因此拉下所需的阈压仅略有下降——约三个百分点——而不是像许多早期 MEMS 设计那样剧烈漂移。闭合后，金属接触的接触电阻在低温下实际上改善了 15% 以上，因为金属的电阻随热振动减弱而降低。对到数十吉赫的射频测试表明，在许多超导量子比特使用的关键 4–8 GHz 频段内，开关的信号损耗保持在半分贝以下，而通道间隔离度仍优于 35 dB。通俗地说，开关能干净地通过所需信号，同时强烈阻止不必要的串扰，而且在低温下性能比室温时更好。

驯服低温下的反弹问题

然而，在如此低温下运行也引入了一个意想不到的挑战：反弹。开关封装内留有少量气体，冷却时这些气体凝结导致近真空环境，去除了通常用来阻尼梁运动的空气缓冲。因此当梁撞击触点时会像微小的钟一样振荡，在大约 150 微秒内反复开放和闭合。这会使电输出振荡，可能扰乱敏感的量子信号。通过精心设计驱动电压脉冲，研究人员找到了一种在撞击前减缓梁速度并减少回弹的方法。他们设计的波形先短暂施加较高电压以启动运动，然后降到较低电压使梁几乎以零速度到达，再切回到保持电压。释放时使用类似序列。该策略将切换时间略微延长到约 3.3 微秒，但几乎消除了反弹，并仍满足许多时分复用读出方案的需求。

在超低温下验证寿命与简单逻辑

在改进的驱动波形下，团队在低温条件下反复循环 MEMS 开关并监测其行为。即使在超过一亿次开关操作之后，切换波形和闭合电阻仍保持稳定，表明机械与电学在低温环境下具有出色的可靠性。然后他们对完整的 SP4T 器件进行了测试——一个输入被导向四个不同输出中的任意一个——表明通过激活匹配的栅极电极可以将信号干净地路由到任一目标输出。利用这些开关可以通过串并联和简单电阻连接的特性，作者还在 5.8 K 下展示了基本的数字构建单元，具体为 NAND 与 NOR 逻辑功能。这些实验表明，此类机械器件不仅可作为被动路由元件，也可能在靠近量子比特的芯片上支持某些简单逻辑运算。

这对未来量子机器意味着什么

对普通读者来说，关键结论是：一种现成的机械射频开关能在接近绝对零度的温度下可靠工作，并在若干方面在低温下表现更佳。该器件在空闲时几乎不消耗功率，几乎不增加噪声或信号损耗，能够循环至少一亿次而无明显磨损，同时可以在多条路径间引导信号并执行简单逻辑。仍有一些难题需要解决——例如进一步加快其速度以适应最快速的控制任务，以及减小绝缘层中的缓慢“充电”效应——但这些结果强烈表明商用 MEMS 开关是构建明日大规模量子计算机所需的密集、低功耗连线网络的有前途构件。

引用: 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

关键词: 量子计算硬件, 低温电子学, MEMS 开关, 超导量子比特, 信号复用