蓝宝石球树脂滤除超导电路宽频噪声

超导电路，尤其是量子计算芯片，对工作环境有着的要求。在低温实验装置中，来自泄漏点或高温级段的入射光或红外辐射是主要的噪声源，必须被有效隔绝。然而，由于需要阻挡从纳米级到毫米级的宽波长范围，同时又要让特定低频光子通过，这种“宽频滤波”一直是个技术难题。

米氏散射原理实现宽频屏蔽

近日，格赖德尔（Griedel）等人开发了一种新型材料，能够高效过滤宽波长范围的辐射，同时允许低吉赫兹频率的光子通过。该团队利用米氏散射（Mie scattering）理论，即当介质中嵌入颗粒的尺寸与电磁平面波波长相当时，均匀球体如何散射电磁波的原理，研制出一种含有蓝宝石球的非磁性环氧树脂。

研究人员对多种不同材料成分进行了表征，这些成分包含不同直径的球体和不同的频率特性。作者汉内斯·罗辛格（Hannes Rotzinger）表示：“我们寻找一种在微波频段具有低衰减特性的材料，并定制其在阻断范围内的行为。当光子的波长与蓝宝石球的直径相似时，该化合物会与入射辐射产生强烈相互作用。”

红外波段高衰减与微波高透过的平衡

研究团队发现，与其他常用材料相比，这种滤波器在保持通带内吉赫兹频率的高透过率的同时，显著衰减了红外阻带。作者马库斯·格赖德尔（Markus Griedel）解释道：“这由米氏理论描述，我们利用它计算了化合物中球体直径的分布。我们将分布范围设置得足够宽，以确保光学和红外辐射被强烈散射或吸收，而较长波长的光子，如微波，则几乎不受影响。”

这项研究的核心突破在于通过控制蓝宝石球的尺寸分布，实现了对特定波段噪声的选择性过滤。这种非磁性环氧树脂不仅解决了超导量子比特因热辐射导致的退相干问题，还保持了信号传输的低损耗特性，为低温环境下的量子应用提供了关键的材料支持。

未来优化方向与行业启示

接下来，研究团队计划进一步探索如何针对低温环境的其他部分进行优化，例如连接信号线的材料选择。这项成果发表在《混沌》（Chaos）杂志上，题为《用于低温量子应用红外保护的无损材料》。

对于中国量子计算产业而言，超导量子比特对噪声极度敏感，低温屏蔽材料的自主可控至关重要。当前国内在基础材料科学领域仍有较大提升空间，此类基于物理原理创新的复合材料研发思路值得借鉴。通过深入理解米氏散射等基础理论，结合本土供应链优势，开发具有自主知识产权的低损耗、宽频屏蔽材料，将是突破量子硬件瓶颈、提升算力稳定性的关键路径之一。