研究人员创建设备以简化超冷计算机和室温计算机之间的交互

许多最先进的技术在极低的温度下工作。超导微处理器和量子计算机有望彻底改变计算，但科学家需要将它们保持在绝对零以上(–459.67°华氏度)以保护它们的微妙状态。尽管如此，超冷组件必须与室温系统连接，这给工程师带来了挑战和机遇

由加州大学圣巴巴拉分校的PaoloPintus领导的一个国际科学家团队设计了一种设备，可以帮助低温计算机与天气晴朗的计算机对话。该机制使用磁场将数据从电流转换为光脉冲。然后，光可以通过光纤电缆传播，与普通电缆相比，光纤电缆可以传输更多信息，同时最大限度地减少泄漏到低温系统中的热量。该团队的结果发表在《自然电子学》杂志上。

“例如，这样的设备可以与基于超导体的尖端技术无缝集成，”加州大学圣巴巴拉分校光电研究小组的项目科学家Pintus说。超导体可以在没有任何能量损失的情况下传输电流，但通常需要低于–450°华氏度的温度才能正常工作。

目前，低温系统使用标准金属线连接室温电子设备。不幸的是，这些电线将热量传递到冷电路中，一次只能传输少量数据。

Pintus和他的合作者希望同时解决这两个问题。“解决方案是使用光纤中的光来传输信息，而不是使用金属电缆中的电子，”他说。

光纤是现代电信的标准。这些细玻璃电缆以光脉冲的形式传输信息，其传输速度远快于金属线传输电荷的速度。因此，在相同的时间跨度内，光缆可以传输比传统电线多1,000倍的数据。玻璃是一种很好的绝缘体，这意味着与金属线相比，它向低温部件传递的热量要少得多。

然而，使用光纤需要一个额外的步骤：使用调制器将数据从电信号转换为光信号。这是环境条件下的常规过程，但在低温下变得有点棘手。

平图斯和他的合作者建造了一种将电输入转换为光脉冲的设备。电流产生的磁场会改变合成石榴石的光学特性。科学家将此称为“磁光效应”。

磁场改变了石榴石的折射率，本质上是它对光的“密度”。通过改变这一特性，平图斯可以调整在微环谐振器中循环并与石榴石相互作用的光的幅度。这会产生明暗脉冲，通过光缆传输信息，就像电报线中的莫尔斯电码一样。

“这是第一个使用磁光效应制造的高速调制器，”平图斯说。

其他研究人员已经使用类似电容器的设备和电场创建了调制器。然而，这些调制器通常具有高电阻抗——它们抵抗交流电流的流动——这使得它们与电阻抗基本上为零的超导体的匹配度很差。由于磁光调制器具有低阻抗，科学家们希望它能够更好地与超导体电路连接。

该团队还采取措施使他们的调制器尽可能实用。它的工作波长为1,550纳米，与互联网电信中使用的光波长相同。它是使用标准方法生产的，这简化了它的制造过程。

该项目是一项协作努力。加州大学圣巴巴拉分校的Pintus和集团总监JohnBowers领导了该项目，从概念、建模和设计到制造和测试。合成石榴石是由东京工业大学的一组研究人员培育和表征的，他们过去曾与UCSB电气和计算机工程系的团队合作开展多个研究项目。

另一个合作伙伴，BBNRaytheon的量子计算和工程小组，开发了可以从新技术中受益的各种超导电路。他们与UCSB的合作由来已久。BBN的科学家对该设备进行了低温测试，以验证其在真实的超导计算环境中的性能。

该设备的带宽约为每秒2吉比特。与室温下的数据链路相比，这并不算多，但Pintus表示，首次演示很有希望。该团队还需要提高设备的效率，使其在实际应用中变得有用。然而，他们相信他们可以通过用更好的材料代替石榴石来实现这一目标。“我们想研究其他材料，”他补充说，“我们认为我们可以实现更高的比特率。例如，铕基材料的磁光效应比石榴石大300倍。”

有很多材料可供选择，但帮助Pintus和他的同事做出选择的信息并不多。科学家们只研究了少数材料在低温下的磁光特性。

“这项工作中展示的有希望的结果可以为新型节能低温设备铺平道路，”Pintus说，“领导对可在低温下运行的高性能(未探索)磁光材料的研究。”

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