微軟和悉尼大學(xué)開發(fā)低溫量子控制平臺

誠然，量子計算具有非常強大的計算能力，也可用于化學(xué)、密碼學(xué)等其他領(lǐng)域，但其自身存在固有缺陷。量子設(shè)備需要放置于接近絕對零度的環(huán)境中，還要阻斷電噪聲等外界干擾，因此穩(wěn)定的環(huán)境至關(guān)重要。在近日發(fā)表于《自然 · 電子學(xué)》雜志上的一項研究中，微軟聯(lián)合悉尼大學(xué)開發(fā)了一個低溫量子控制平臺，可以同時控制數(shù)千個量子比特，可稱得上量子計算領(lǐng)域的一項突破。

量子計算對化學(xué)、密碼學(xué)等領(lǐng)域帶來極大影響。量子計算機的構(gòu)造塊不只是 0 和 1，而是 0 和 1 的疊加。這些量子計算基礎(chǔ)單元叫做量子比特。將量子比特植入復(fù)雜設(shè)備并進行操作可以解決經(jīng)典計算機無法處理的問題。

盡管量子比特帶來了強大的計算能力，然而它們也存在缺陷：不穩(wěn)定性。量子態(tài)極易受環(huán)境干擾，研究人員必須努力保護它們。這就需要降低環(huán)境溫度使其逼近絕對零度，將它們與電噪聲等外界干擾阻斷。因此，有必要開發(fā)一個完整系統(tǒng)，來維護一個穩(wěn)定的環(huán)境。然而，這還需要維持量子比特的通信。此前，此類系統(tǒng)只能處理有限數(shù)量的量子比特，無法適用于大規(guī)模量子計算機。

最近，來自微軟和悉尼大學(xué)的研究團隊開發(fā)了一個低溫量子控制平臺，利用專門的 CMOS 芯片接收數(shù)字輸入，并生成很多并行量子比特控制信號，從而實現(xiàn)對數(shù)千個量子比特的支持。支持該平臺的芯片叫做 Gooseberry，它在 100 毫開爾文 （mK） 的低溫下運行，而且能耗很低，從而解決量子計算機中的多個 I/O 問題。相關(guān)研究發(fā)表在 Nature 子刊《Nature Electronics》上，微軟也專門寫了一篇博客介紹這項研究。

博客地址：https://www.microsoft.com/en-us/research/blog/full-stack-ahead-pioneering-quantum-hardware-allows-for-controlling-up-to-thousands-of-qubits-at-cryogenic-temperatures/

該研究團隊還創(chuàng)建了一種通用的低溫計算核心，其運行溫度為 2 開爾文 （K），可通過浸入液氦來實現(xiàn)。該溫度是 Gooseberry 運行溫度的 20 倍，制冷功率是 400 倍，因此該核心能夠執(zhí)行通用計算。

Gooseberry 和該計算核心可以幫助管理大規(guī)模量子計算機中不同部件以及計算機與用戶之間的通信，是向每個量子比特收發(fā)信息的復(fù)雜「神經(jīng)系統(tǒng)」的核心元素，同時維持穩(wěn)定的低溫環(huán)境，這對于具備成千上萬量子比特的大規(guī)模商業(yè)系統(tǒng)而言是很大的挑戰(zhàn)。

概覽：拓撲量子計算和量子堆棧

衡量量子計算設(shè)備時往往會統(tǒng)計它們包含多少個量子比特。但是，并非所有量子比特都是相同的，因此相應(yīng)的計數(shù)往往無法精準地實現(xiàn)。微軟量子團隊的研究者正率先開發(fā)拓撲量子比特，它們在硬件層面內(nèi)置了高級別的誤差保護，由此減少了軟件層面誤差糾錯所需的開銷，并能夠使用更少的物理量子比特完成更有意義的計算。

圖 1：量子堆棧圖。

這是微軟提出方法的獨特特征之一，但并不是唯一一個。在量子堆棧中，量子比特構(gòu)成基底（base）。如上圖 1 所示，量子平面（quantum plane）是由一系列拓撲量子比特（它們自身由半導(dǎo)體、超導(dǎo)體和電介質(zhì)組成）、門、接線以及其他有助于處理原始量子比特信息的封裝包組成。

至關(guān)重要的通信過程位于堆棧的中間層（圖 1 中的「Quantum-Classical Interface」）。Gooseberry 芯片和低溫計算（cryo-compute ）核心協(xié)同工作完成通信。其中，低溫計算核心位于 Classical Compute 底部。而與其他控制平臺相比，Gooseberry 的獨特之處在于：它與量子比特一起處于與量子平面相同的溫度下，能夠?qū)⒌蜏赜嬎愫诵牡慕?jīng)典指令轉(zhuǎn)化為發(fā)送至量子比特的電壓信號。

保持低溫：在基于 CMOS 的控制平臺上實現(xiàn)散熱

Gooseberry 芯片的放置位置為什么如此重要呢？部分原因在于熱量。當連接控制芯片與量子比特的接線很長時（如果控制芯片處于室溫條件下，則接線必然如此），冰箱（fridge）內(nèi)部就會產(chǎn)生大量的熱量。將控制芯片放置于量子比特附近可以避免出現(xiàn)此問題?，F(xiàn)在的折衷方案也是芯片靠近量子比特，并且芯片生成的熱量可能會使量子比特升溫。

Gooseberry 通過將控制芯片放置在靠近量子比特的位置（又不太近）來控制競爭效應(yīng)。將 Gooseberry 放置于冰箱中并且與量子比特?zé)岣綦x，則芯片產(chǎn)生的熱量從量子比特中被吸走并進入混合室（mixing chamber）中。

具體如下圖 2 所示：

圖 2：左：Gooseberry（Cryo-CMOS）芯片的熱傳導(dǎo)模型原理圖示；右：Gooseberry 芯片（紅色）靠近量子比特測試芯片（藍）和共振器芯片（紫色）。

芯片靠近量子比特解決了溫度問題，但同時也產(chǎn)生了其他問題。若要在量子比特所在位置操作芯片，則需要在與量子比特相同的溫度（100 mK）下工作。在此溫度下操作標準塊狀 CMOS 芯片具有挑戰(zhàn)性，因此 Gooseberry 芯片采用了全耗盡絕緣體硅片（fully-depleted silicon-on-insulator， FDSOI）技術(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)在低溫下的操作性能。

此外，Gooseberry 芯片具有背柵偏置（back-gate bias），其中晶體管的第四終端可用于補償溫度變化。晶體管和門的系統(tǒng)允許對量子比特進行單獨地校準，晶體管為每個量子比特發(fā)送單獨的電壓。

大量的門：不需要從室溫到每個量子比特的單獨控制線

Gooseberry 芯片的另一個優(yōu)點是，在設(shè)計時，控制量子比特的電子門通過單個電壓電源充電。同時，該電壓電源以「循環(huán)」的方式周期性地通過門，并在必要時充電。

如下圖 3 所示，Gooseberry 芯片由數(shù)字和模擬塊組成。耦合的數(shù)字邏輯電路通過一個有限狀態(tài)機（finite-state machine， FSM）執(zhí)行芯片的通信、波形存儲和自動化操作，同時芯片的數(shù)字部分也包含一個主控振蕩器（master oscillator）。

該芯片還使用串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface， SPI），以在高于量子堆棧的位置實現(xiàn)便捷通信。芯片的模擬組件是一系列的單元，它們被稱為「charge-lock fast-gate， CLFG」單元。

cryo-CMOS 控制與量子點芯片的基準結(jié)果

研究者測試了 Gooseberry 芯片，查看將其與基于 GaAs 的量子點 （QD） 設(shè)備連接后的性能。在室溫下，將量子點設(shè)備中的一些門與數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC） 連接，對比其與標準控制方法的結(jié)果。CLFG 單元的功率泄露可以通過設(shè)備中的第二個量子點來衡量，對量子點電導(dǎo)率的度量提供了一種監(jiān)測 charge-locking 過程的方式。該芯片中所有組件的溫度都在控制芯片充電后測量，這表明在必要的頻率或時鐘速度范圍內(nèi)，溫度能夠保持在 100 mK 以下（參見下圖 4）。

根據(jù)這些結(jié)果，研究者估計，Gooseberry 控制芯片所需的總系統(tǒng)功率是頻率和輸出門數(shù)量的函數(shù)。這些結(jié)果考慮了拓撲量子比特所需的時鐘速度和溫度。下圖 5 展示了 Gooseberry 芯片能夠在可接受的限制下運行，同時滿足數(shù)千量子比特的通信。這一基于 CMOS 的方法還可用于基于電子自旋或 gatemon 的量子比特平臺。

責(zé)編AJX