Kuantum Hesaplamaları için yüksek hızlı bir şekilde değiştirilebilir

Kuantum Hesaplama Yüksek Hızlı PCB Tasarımının Yeni Bir Breedini Talep Ediyor

Kuantum hesaplaması, klasik bilgisayarlar için sorgulanmamış sorunları çözmeyi vaat ediyor, uyuşturucu keşiflerinden iklim modellemesine geri dönmekten sonra her kuantum işlemcinin karmaşık bir kontrol ve okuma elektronik yığını olduğunu ve bu yığınlamanın kalbinde yüksek hızlı baskılı devreler tasarlıyor.Bu PCB'lerin yüksek çözünürlükte mikrodalga kontrol sinyalleri alması ve bayılmayı sürdürmesi gerekir.

Hisseler yüksek. biraz 0 veya 1'in olduğu dijital mantıktan farklı olarak, kuantum durumu, tüm hesaplamaları zayıflatan hataların var. Bu makale, yüksek hızda PCB'lerin taşınmasında tipik olarak, yüksek hızda çalışan sinyal hatlarında bulunur. herhangi bir yansıma, kayıp veya gürültü bu sınırda çalışan mühendisler için pratik bir kılavuz sunabilir.

Kuantum Interface PCB Tasarımlarında Benzersiz Meydanlar

kuantum hesaplama kısıtlamaları PCB'yi geleneksel yüksek hızlı tekniklerin ötesine taşırken, klasik yüksek hızlı tasarım, çok sayıda termal aşamaya yayılan sinyal kabloları üzerinde yoğunlaşır.

Alt-Noise Floor Signal Integrity

Kuantum okuma sinyalleri olağanüstü zayıftır. Tipik bir süper iletkenlik qubit okuması birkaç mikrodalga fotonlara eşdeğer bir enerji olabilir.Bu tür sinyalleri tespit etmek için, tüm sinyal zinciri - PCB izlerini, konektörleri ve yükselteçleri dahil - ne kadar makul bir gürültüye katkıda bulunur.Bu talepler için:0)Demek için [Dönemli yüksek çözünürlükte bir miktar tozlu dielektrikler [Dönemli)

Ağojenik Uyumluluk

Birçok kuantum işlemciler, ahşap döşemedeki milikelvin sıcaklıklarında çalışır: Sıcaklık artışının katlanması gereken diğer bileşenlerle mekanik stresden kaçınmak için eşleşmelidir ve hiçbir outgassing oda sıcaklığından 4 K veya daha düşük, elektrik performansına devam ederken, bu da katı dayanıklılık azalırken, ısı geçişinin ısıtılması gerekir.

Bir Kuantum Lab

Kuantum deneyleri EMI. Yakın bir cep telefonu, bir anahtarlama gücü tedariki veya hatta kötü bir kalkanlı bilgisayar, qubit kontrol hatlarına birkaç gürültüyü kendi başına bir analog ve dijital kalkan olarak hareket etmelidir[Dönemli olarak tasarlanmış zemin uçaklar,).

Termal Yönetim Amid Dense Bitirme Yeri

Kuantum kontrolü elektronikleri genellikle onlarca yüksek hızlı DAC'ler, ADC'ler ve mikrodalga anahtarlar küçük bir alana kadar dolu.Bir kriostatta çalışmaya rağmen, bazı ısı orta sıcaklık aşamalarında istenmeyen rezonanslar yaratmalıdır. PCB, ısıyı soğuk plakalara etkili bir şekilde yürütmek için tasarlanmıştır, ısıtılır, bakır dökülüyor ve bazen ısı boruları yapıştırır.

Kuantum PCB için Gelişmiş Tasarım Stratejileri

Bu zorlukların üstesinden gelmek, temel iletim hattı teorisini uzmanlaşmış malzemeler ve simülasyon odaklı bir düzenle birleştiren sistematik bir yaklaşım gerektirir. Aşağıdaki bölümler kritik stratejileri bozuyor.

Malzeme Seçimi: Low-Los Performansı Vakfı

Dielektrik materyali, kuantum yüksek hızlı PCB'de en önemli seçimdir. 1 GHz'in üzerindeki frekanslar için standart FR-4 laminat, kabul edilebilir sinyal kaybı ve jitter. yerine, mühendisler [FONTD:0)Rogers 3000/4000/6000 serisi),% 0,5'den daha az ısıtıcı performanslar için% 0,5'den daha az tercih edilir.

Bakır folyo kabalığı da mikrodalga frekanslarında kaybı etkiler.:0)Very düşük profil (VLP)) veya [[Döntilmiş folyo[Döntilmiş folyo[DDöntilmiş) için iletken kaybı azaltır.En kritik sinyal katmanları için, bazı tasarımcılar en ince yüzeyi sunan bakır folyoyu belirtirler.

kuantum arayüz için örnek malzeme karşılaştırması:

Krigen aşamaları için, en soğuk aşamalar için özel laminatlar:0)Rogers TMM 10i) veya özel seramik dolu şampuanlar geliştiriliyor, ancak birçok araştırma grubu hala en soğuk aşamalar için sefil veya fifire substratlarına güveniyor. PCB malzeme seçiminin tamamı için hesabı gerekir: dielektrik sabit tipik olarak soğutma ile azalır, oda sıcaklığında 50 Ω'de tasarlanan izler 4 K.

Impedance Control and Transmission Line Design

Her sinyal yolunda sürekli karakteristik bir engelin korunması, kontrol edilemez olan yapılardır. kuantum sistemlerde, kontrol edilemeyen yansımalar, eğimlere müdahale eden ayakta dalgalar yaratır. Standart yaklaşım mikrostrip veya zeminli polislanar dalga kılavuzluğu (GCPW) yapılar kontrol edilen genişlik, yükseklik ve dielektrik kalınlığı ile ilgilidir. GCPW genellikle alanı daha sıkı bir şekilde sınırlandırır ve bitişik izlerinin arasında daha iyi izolasyon sunar.

Yönetmek için Anahtar parametreler:

Eksisel sinyaller için (geçici kontrolde) çift sıkı skew toleransını korur. Yerel osilatör ve orta frekans sinyalleri için 100 GU diferansiyel çiftler. skew 10 ps bile dörtlü devre dışı operasyonların gerektirdiğini fark edebilir.

En İyi Uygulamaları Koruma ve Koruma

Katı, düşük katlı zemin referansı kritiktir. UseETHFLT:0) Her katmanda , onları birbirine bağlayan bir alt tabaka ile, her bir RF izlerinin kenarlarında dikilmesi.

Shielding yerel olarak zeminli bir parça ile hassas bölümlere ve üst katta bakır dökme ile uygulanabilir, ancak bu, zemin uçağa satılabilir - kuantum okuma yükselteçleri için. ultra hassas kanallar için, bazı tasarımları düşük hacimli bir bekçi ringi kullanıyor, ancak bu PCB-sadece çözümlerde nadir.

kuantum sistemlerde, [[0) zemin döngüleri, sürekli bir gürültü kaynağıdır[Dönetici: 1). Bir yıldız üstoloji, tüm sinyallerin tek bir noktaya atıfta bulunduğu yerde, büyük bir PCB üzerinde uygulanması zor olur. Bunun yerine, tasarımcılar RF sinyalleri için tüm zeminin mümkün olduğunca kısa olmasını ve DC akımlarının aynı geri dönüş yolunu paylaşmamasını sağlar.

Signal Routing for Minimal Crosstalk

Yakındaki izlerinin arasındaki çapraztalk, ölçüm hatalarına neden olan satırlara birkaç tane kontrol puls'i kontrol edebilir. kuantum PCB'ler için, kanal içi izolasyon, işletim frekansında 60 dB'yi aşmalıdır.

Uygulamada, birçok kuantum kontrol kurulu, 1mm bir basamaklı bağlantı ayak izi kullanıyor ve geçişler yoluyla iz bırakıyor. Tüm kanal simülasyonu - bağlantı veya, iletişim hattı ve ped - izolasyonu doğrulamak ve geri dönmek için gerekli.

Termal Yönetim Teknikleri

Bir kriostatta bile, ısı aktif bileşenlerden uzaklaştırılmalıdır.UseFLT:0)Ebgensel olarak (eskiden küçük parçalara kadar veya kablolardan kaçınmak için boş veya çadırda vakum sızıntılarından kaçınmak için) gerekir.[Döne gelen cihazlardan iç bakırlara yapıştırılır.Bu uçaklara doğrudan alt bileşene ve bir ısınmış olan ısı parçalarına yapıştırılır.

Geminin kendisi, ısı yükü oda sıcaklığı aşamalarından soğuk aşamalara en aza indirmek için tasarlanmıştır.Sağdaki bronz izlerini kullanarak, DC önyargı hatları için uzun izler) ısıtılırken, RF izlerini tutmak için kısa süre boyunca sinyal bütünlüğünü korumak için.Bazı tasarımları ısıtılır.

Termal yönetim ayrıca, termal genişleme için uygun bir seçim içerir[CDK:1) Bu gemide, soğuktan veya delaminates sırasındaki çatlaklar ve variller ile birlikte, 20 ppm/°C ve x/y CTE’nin altında bir CTE (g) ile laminatlar arasında stres kırıklarına neden olacaktır.

Simülasyon ve Geçerlilik Çalışması

kuantum sinyallerin aşırı hassasiyetine göre, üretimden önce simülasyon zorunludur.En iyi pratik bir iş akışı içerir:

  1. [FONT=0)Electromanyetik simülasyon[[DD alanı çözücüsü kullanarak kritik izler ve geçişler için 3D alan çözücüsü. Model the full stack-up, including bakır kabaness and solder Maske.
  2. [FONT:0)Gerçerlik analizi[[[Dönetici] zaman-bölge reflektometri (TDR) ve eklenme kaybı için Aim for return lost below -20 dB across the group.
  3. [FONT=0) Güç bütünlüğü simülasyonu[[[Dönetici:0) Güç uçaklarının düşük dürtülerini sağlamak için, özellikle hassas analog malzemeler için.
  4. [FONT:0] ⁇ simülasyonu[[Dönetici: 1) Kurulun sıcak noktaları tanımlamak ve bu eklem sıcaklıklarının sınırları içinde kalmasını doğrulaması.
  5. [FONT=0) Tasarım kuralı kontrol[[Dönemli kısıtlamalar için[Döneticiler için minimum kontrol, RF ağları için minimum izin, yoğunlukla zemin.

Üretimden sonra, 0:0)fiziksel doğrulama[Dönetici: 1 ) yapılır. Paneldeki test kuponlarının S-parametrelerini ölçmek için bir vektör ağı analiz eder.For installed boards, a TDR ölçümü imkansızlığı ortaya çıkarabilir.For complete system validasyon,gen testleri sonuçta gereklidir.

Gelişen Teknolojiler ve Gelecek Yollar

kuantum hesaplama alanı hızla gelişiyor ve PCB tasarımı hız tutmalıdır. Mevcut kısıtlamalara ulaşmak için ortaya çıkan birkaç trend:

Süperilet PCB'leri

En soğuk aşamalar için, elektrik direncinin kabul edilemez ısıtma, betonarme ve asansör açma şekli gibi malzemeler tanıtıldığı yer, ancak tamamen silikon substratları üzerinde Interzont bağlantıları gösterilebilir, ancak büyük ölçekli PCBler süper iletken bir şekilde yapılır.

Ağojenik-CMOS kontrolörleri

Birçok ayrı bileşene alternatif, ağostat'ın eş eksenli kablo sayısını azaltır, PCB'yi basitleştirmek için bir taşıyıcı olur, o zaman güç teslimatına ve Google ve Intel gibi şirketler bu yaklaşıma büyük ölçüde yatırım yapıyorlar.

Ağojenikler için Gelişmiş Laminatlar

Malzeme üreticileri özellikle krigen kullanımı için optimize edilmiş, sıkı CTE kontrolü ve Dk'de 300 K'den 4 K. Örneğin, [[ŞUygun:0)Rogers Corporation'ın Kappa 438 ve [[DQD:3] Astra MT7 ) ile kuantum laboratuvarlarda test ediliyor.

Tümleşik fotonik ve elektronik PCBler

Future kuantum bilgisayarları aynı gemide elektronik kontrol ile optik bağlantılarını birleştirebilir. Bu, hem fotonik dalga kılavuzlarını hem de yüksek hızlı elektrik izlerini içeren hibrit PCB teknolojisini gerektirir.Ancak hala deneysel olsa da, bu tür entegrasyon, gürültü bağışıklığı boyutunu dramatik bir şekilde azaltabilir.

PCB Optimizasyonu için Makine Öğrenmesi

AI-güdümlü tasarım araçları, karmaşık multi-katlı PCB'lere yardımcı olmaya başlıyor. kuantum uygulamalar için makine öğrenimi, yerleştirme, iz genişliği ve çöp toplama yoluyla optimize edilebilir. Birkaç üniversite, tasarım döngüsünü hızlandırmak için HFSS'den gelen açık kaynak araçları geliştiriyor.

Kuantum Mühendisleri için Pratik Bakışlar

Alana girenler için, birkaç pratik ipucu gelişmeyi hızlandırabilir:

Daha fazla okuma için dış kaynaklar:

Sonuç: Bir Cross-Discipline Engineering Challenge

kuantum bilişim arayüzleri için yüksek hızlı PCB tasarımı, mikrodalga mühendisliği, malzeme bilimi, krigenler ve kuantum fiziği. Talepler - bu makalede açıklanan yüksek çözünürlük ve termal yönetim - önümüzdeki kuantum donanım ölçeklerinin ötesinde bir disiplinin olması gerekir.Seks teknolojilerinin rolü, gerçek zamanlı teknolojilerin rolü, bu makalede açıklanan tekniklerin daha kritik hale getirilmesi ve gelecekteki tümleşik hesaplamalarla birlikte kalmasına yardımcı olur.