改进量子计算机的三项创新

来源：IEEE电气电子工程师本文约1500字，建议阅读5分钟来自六家公司和大学的研究人员提出了在低温下运行电路的新方法。

Photo: Chalmers University of Technology

A close-up picture of the wire bonded InP HEMT device in the three-stage 4-8 GHz LNA for quantum computing.

对于大多数量子计算机来说，热是敌人。热可导致在量子位元中产生错误，在量子计算机运转中，使计算机正在执行的操作中断。所以量子计算机需要保持在非常冰冷的环境下 -- 只比绝对零度高一点点。

“但是要操作计算机，你需要一些与非量子世界的接口，”imec的研究科学家Jan Cranickx说。为了制造出更好的量子计算机，科学家和工程师们正试图将更多的电子器件引入容纳量子比特的稀释致冷机。

在2020年的IEEE国际电子设备会议（International Electron Devices Meeting，IEDM）上，来自六家公司和大学的研究人员提出了在低温下运行电路的新方法。这其中包括了以下三项努力：

Google’s cryogenic control circuit could start shrinking quantum computers

Photo: Google

Google’s cryo-CMOS integrated circuit, ready to control a single qubit.

在谷歌，研究人员已经开发出一种低温集成电路来控制量子比特，将它们与其他电子设备连接起来。实际上，谷歌团队在2019年首次公布了他们的研究成果，但他们正在继续扩大这项技术的规模，着眼于建造更大的量子计算机。

谷歌量子人工智能（Google Quantum AI）的研究科学家、马萨诸塞大学阿默斯特分校教授Joseph Bardin表示，这种低温CMOS电路与室温下的同类电路差别不大。但设计它并不是那么简单。现有的模拟和组件模型并不适合低温操作。研究人员的大部分挑战来自于使这些模型适应寒冷的温度。

谷歌的设备在致冷机内的温度为4开尔文，比50厘米外的量子位温度略高。这可能会大大缩小现在房间大小的电子产品机架。Bardin声称，他们的低温方法“最终也可以降低控制电子设备的成本。他说，有效地控制量子计算机是至关重要的，因为它们能够达到100或更多个量子比特。

Cryogenic low-noise amplifiers make reading qubits easier

量子计算机的一个关键部分是用来读出量子位的电子器件。这些量子位本身发出微弱的射频信号。进入低噪声放大器（low-noise amplifier，LNA），它可以增强这些信号，使量子位更容易读取。不仅仅是量子计算机受益于低温低噪声放大器，射电望远镜和深空通信网络也在使用它们。

位于瑞典哥德堡的查尔默斯理工大学的研究人员正在尝试制造低温低噪声放大器。他们的电路使用高电子迁移率晶体管（high-electron-mobility transistors，HEMTs），这对于快速开关和放大电流特别有用。研究人员使用由磷化铟（InP）制成的晶体管，InP是LNAs的一种常见材料，不过砷化镓在商业上更为常见。该大学的教授Jan Grahn指出，InP-HEMTs是深冻的理想材料，因为这种材料在低温下比在室温下更能传导电子。

研究人员已经对LNAs中的InP-hemt进行了一段时间的修补，但是研究小组正在推动他们的电路在较低的温度下运行，并且用电比以往任何时候都少，且他们的设备工作温度低至4开尔文。

imec researchers are pruning those cables

任何量子计算机的图像都被拜占庭式的布线所控制。这些电缆将量子位连接到它们的控制电子设备上，读出量子位的状态并反馈输入。其中一些电缆可以被射频多路复用器（RF multiplexer，RF MUX）剔除，这是一种可以控制多个量子位之间信号的电路。imec的研究人员已经开发出一种射频多路复用器，可以把量子比特连接到致冷机里。

Photo: imec

与许多实验性低温电路不同，imec的射频多路复用器工作在4开尔文以下。Jan Cranickx说，让射频多路复用器在那样的温度下工作意味着进入了一个研究人员和设备物理学家没有模型可以工作的世界。他把制造这种装置描述为一个“反复试验”的过程，即把元件冷却到毫开尔文，然后观察它们的工作情况。“这是一个完全未知的领域，”他说。“从来没有人这么做过。”

这个电路就在量子位旁边，在稀释致冷机冰冷的“心脏”深处。在更远的地方，研究人员可以连接其他设备，如低噪声放大器和其他控制电路。这种设置可以减少每个量子比特拥有自己的复杂读出电路的必要性，并使构建具有更大数量的量子比特甚至数千个量子比特的复杂量子计算机变得更加容易。

编辑：文婧