المحتويات

• السياق: ما الذي يجعل لوحة التحكم الكمومي المطبوعة تحديًا
• التقنيات الأساسية (ما الذي يجعلها تعمل بالفعل)
• نظرة عامة على النظام البيئي: اللوحات / الواجهات / خطوات التصنيع ذات الصلة
• المقارنة: الخيارات الشائعة وما تكسبه / تخسره
• ركائز الموثوقية والأداء (الإشارة / الطاقة / الحرارة / التحكم في العمليات)
• المستقبل: إلى أين يتجه هذا (المواد، التكامل، الذكاء الاصطناعي/الأتمتة)
• طلب عرض أسعار / مراجعة DFM للوحة التحكم الكمومي المطبوعة (ما يجب إرساله)
• الخاتمة بينما يستحوذ المعالج الكمومي (QPU) على العناوين الرئيسية، فإن لوحة التحكم هي العنصر الأساسي الذي يجعل التشغيل ممكنًا. الأداء الجيد في هذا المجال لا يتعلق فقط بالاتصال؛ بل يتعلق بدقة الإشارة القصوى، والحد الأدنى من الضوضاء الحرارية، والقدرة على قمع فك الترابط من خلال التحكم الدقيق في التدفق. بالنسبة للمصنعين مثل APTPCB (APTPCB PCB Factory)، يتطلب إنتاج هذه اللوحات تحولًا من التصنيع القياسي إلى هندسة الميكروويف عالية الدقة.

أبرز النقاط

• سلامة الإشارة أمر بالغ الأهمية: الحالات الكمومية هشة؛ يجب تسليم إشارات التحكم بأقل قدر من التوهين وتشويه الطور.
• اختيار المواد مهم: غالبًا ما يكون FR4 القياسي غير كافٍ؛ المواد منخفضة الفقد مثل PTFE أو الهيدروكربونات المملوءة بالسيراميك هي المعيار.
• الإدارة الحرارية: تعمل العديد من لوحات التحكم بالقرب من المبردات، مما يتطلب دراسة متأنية لمعامل التمدد الحراري (CTE).
• التصنيع الدقيق: يجب أن تكون تفاوتات الحفر وتسجيل الطبقات أكثر إحكامًا من معايير IPC Class 3 للحفاظ على المعاوقة.

السياق: ما الذي يجعل لوحات التحكم الكمومي صعبة

التحدي الأساسي في التحكم الكمومي هو هشاشة الكيوبت. سواء كان النظام يستخدم ترانسمونات فائقة التوصيل، أو أيونات محاصرة، أو كيوبتات سبين، يجب أن تربط إلكترونيات التحكم الفجوة بين الأجهزة ذات درجة حرارة الغرفة والبيئة الكمومية. هذا يخلق مجموعة فريدة من الضغوط على تصميم لوحة الدوائر المطبوعة (PCB). أولاً، أصبحت الكثافة عنق الزجاجة. مع انتقال الباحثين من عشرات إلى مئات الكيوبتات، يتزايد عدد الخطوط المحورية ومسارات التحكم بشكل هائل. يجب أن تقوم لوحة الدوائر المطبوعة للتحكم الكمي (PCB) بتوجيه هذه الإشارات عالية التردد خارج المبرّد أو عبر رف التحكم دون تداخل. إذا تسربت إشارة القناة A إلى القناة B، تنخفض دقة البوابة الكمومية، مما يؤدي إلى أخطاء في الحساب.

ثانياً، تكتسب الموثوقية معنى جديداً. في العديد من الإعدادات، يتطلب تغيير لوحة معيبة تسخين ثلاجة التخفيف، الأمر الذي قد يستغرق أياماً أو أسابيع. يجب أن تعمل اللوحة بشكل صحيح من المرة الأولى وتحافظ على أدائها على مدى آلاف الدورات الحرارية. يعكس هذا متطلبات الموثوقية التي تُرى في لوحات الدوائر المطبوعة للفضاء والدفاع، حيث تكون الصيانة مكلفة أو مستحيلة.

أخيراً، غالباً ما يتم تقليص المهلة الزمنية. يتطور مجال الكم بسرعة. تكرر فرق البحث تسلسلات النبضات ومنطق التحكم بشكل متكرر، مما يتطلب أجهزة يمكنها مواكبة دورات النماذج الأولية السريعة دون التضحية بدقة الإنتاج الضخم.

التقنيات الأساسية (ما الذي يجعلها تعمل بالفعل)

للتعامل مع نبضات الميكروويف في نطاق 4-8 جيجاهرتز (الشائع للكيوبتات فائقة التوصيل) أو إشارات التردد اللاسلكي لمصائد الأيونات، تعتمد لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) على عدة تقنيات أساسية.

• عوازل كهربائية منخفضة الفقد: الركيزة هي الأساس. تمتص رقائق الإيبوكسي الزجاجية القياسية الكثير من طاقة الإشارة عند ترددات الميكروويف. غالبًا ما نستخدم مواد Rogers أو Taconic التي توفر عامل تبديد (Df) منخفضًا وثابتًا عازلًا (Dk) مستقرًا. وهذا يضمن وصول نبضة التحكم إلى الكيوبت بالشكل والتوقيت الدقيقين المقصودين.
• مقاومة متحكم بها وتكديس الطبقات: تسبب عدم تطابق المعاوقة انعكاسات للإشارة. في نظام كمي، الانعكاس ليس مجرد فقدان للطاقة؛ إنه ضوضاء يمكن أن تزيل طور الكيوبت. يتم تصميم تكديس لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) بعناية فائقة، وغالبًا ما يتم خلط النوى عالية التردد مع المواد الأولية القياسية لموازنة الأداء والتكلفة.
• الانتهاء السطحي وتأثير الجلد: عند ترددات الميكروويف، ينتقل التيار على طول السطح الخارجي لمسار النحاس. يمكن أن يؤدي ملف نحاسي خشن أو تشطيب سطحي مقاوم إلى تدهور الإشارة. يُفضل الفضة الغاطسة أو ENIG (النيكل الكيميائي بالذهب الغاطس) على HASL لأنها توفر سطحًا مسطحًا وموصلًا يقلل من فقد الإدخال.
• المكونات المدمجة والتدريع: لتقليل المساحة والضوضاء، يستخدم المصممون بشكل متزايد السعة المدفونة أو المواد المقاومة. علاوة على ذلك، يتم استخدام سياج الفتحات (vias التوصيل) بقوة لحماية خطوط التحكم في التدفق الحساسة من مرنانات القراءة عالية الطاقة.

نظرة عامة على النظام البيئي: لوحات ذات صلة / واجهات / خطوات التصنيع

لا توجد لوحة تحكم كمومية (PCB) في فراغ. إنها جزء من سلسلة إشارات معقدة.

سلسلة الإشارات: تبدأ السلسلة عادةً بوحدة تحكم قائمة على FPGA أو مولد شكل موجة عشوائي (AWG). تنتقل الإشارات عبر الكابلات المحورية إلى لوحة التحكم الكمومية، والتي قد تعمل كلوحة توصيل (breakout board)، أو بنك مرشحات، أو وحدة توزيع إشارات. ومن هناك، قد تمر الإشارات عبر لوحات PCB صلبة-مرنة تتكيف مع الهندسة الضيقة للمبرّد (cryostat)، لتصل في النهاية إلى وحدة المعالجة الكمومية (QPU).

اعتمادات التصنيع: يتطلب تصنيع هذه اللوحات تنسيقًا وثيقًا بين مهندس التصميم (layout engineer) ومهندس CAM في APTPCB.

• الحفر: يجب إدارة نسب الأبعاد للفتحات (vias) بعناية لضمان موثوقية الطلاء.
• الحفر الكيميائي (Etching): للحفاظ على مقاومة 50 أوم على مسار ضيق، يجب تعويض عامل الحفر الكيميائي بشكل مثالي. يمكن أن يؤدي الحفر الزائد ولو ببضعة ميكرونات إلى خروج المقاومة عن المواصفات.
• التجميع: غالبًا ما تتضمن عملية PCBA لحام موصلات عالية التردد (مثل SMP أو SMA) التي تتطلب عزم دوران دقيق وحجم لحام محدد لتجنب إنشاء سعة طفيلية.

مقارنة: الخيارات الشائعة وما تكسبه / تخسره

عند تصميم هذه اللوحات، يواجه المهندسون مفاضلات بين دقة الإشارة والأداء الحراري والميزانية. بينما توفر اللوحة الخزفية بالكامل أفضل أداء، إلا أنها هشة ومكلفة. غالبًا ما تكون التصميمات الهجينة هي الحل الأمثل. فيما يلي مصفوفة قرارات تساعد على التنقل بين هذه الخيارات.

الحفر الخلفي للوصلات البينية (Vias)يزيل بقايا الوصلات البينية غير المستخدمة لمنع انعكاسات الإشارة عند الترددات العالية (>10 جيجاهرتز).

مسار الأداء لمدة 5 سنوات (توضيحي)

مقياس الأداء	اليوم (نموذجي)	الاتجاه على مدى 5 سنوات	لماذا يهم
**كثافة التوصيلات البينية**	BGA قياسي / محوري	متعدد الطبقات فائق التوصيل	ضروري للتحكم في أكثر من 1000 كيوبت بدون حزم كابلات ضخمة.
**درجة حرارة التشغيل**	درجة حرارة الغرفة (300 كلفن)	مُبرّد (4 كلفن - 77 كلفن)	يقلل الضوضاء الحرارية وزمن الوصول عن طريق نقل التحكم بالقرب من وحدة المعالجة الكمومية (QPU).
**فقدان المواد**	فقدان منخفض (Df ~0.002)	فقدان منخفض جداً (Df <0.001)	يحافظ على سلامة نبضات التحكم المتزايدة التعقيد.