低溫芯片、微型繼電器及其他技術可幫助量子計算機擴大規模

當研究人員努力擴大量子計算機的容量時，他們遇到了許多過完重大節日的人都會面臨的一個問題：冰箱里沒有足夠的空間了。

今天的量子計算機處理器必須在接近絕對零度的低溫環境中工作，但用于讀出和控制的電子元件卻無法在這種溫度下工作。所以這些電路必須放置在冰箱外面。對于如今不到100量子位的系統來說，尚有足夠的空間專用于連接電纜，但對于未來的百萬量子位系統來說，空間則是不夠的。這樣的系統將需要可在冰箱內運行的超低功耗控制芯片。

在2019年12月于舊金山召開的IEEE國際電子器件會議（IEDM）上，工程師們公布了一些潛在的解決方案，既有我們熟悉的，也有非常奇特的。

低溫CMOS

改善互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術也許是實現量子計算機低溫控制的最直接方法。不出所料，英特爾采取了這個方案。該公司推出了一款名為Horse Ridge的低溫CMOS芯片，將量子計算機的指令轉換為基本的量子位操作，并通過微波信號傳送給處理器。Horse Ridge的設計工作溫度為4開爾文，比量子位芯片本身的溫度略高，但也已經足夠低了，可以和量子位芯片一起放在冰箱里。英特爾公司利用其22納米鰭式場效應晶體管（FinFET）制造工藝制造了這款芯片，但構成控制電路的晶體管需要大量的重新設計。

“如果你拿一個晶體管，冷卻到4開爾文，它是否能工作是未知的。”英特爾量子硬件部門主管吉姆?克拉克（Jim Clarke）說，“器件的許多基本特性都與溫度有關。”其他一些公司也在按照同樣的思路工作。2019年初，谷歌推出了一款低溫CMOS控制電路。微軟及其合作者也進行了相關研究（在截至發稿時還在研究之中，尚未經過同行評議）并表示，他們已經制造出一款可集成10萬晶體管的CMOS控制芯片，工作溫度為100毫開爾文。

微型繼電器

在邏輯電路中，晶體管可作為開關，但它并不是唯一可作為開關的器件。加州大學伯克利分校劉金智潔（Tsu-Jae King Liu）實驗室的工程師們開發出了微米級機電繼電器，作為超低功耗元件替代晶體管。他們驚奇地發現，他們的器件在4開爾文的溫度下要比在室溫下運行得更好。在室溫下，器件會受一些機械特性影響。首先，環境中的氧氣會與繼電器的電極表面發生反應。隨著時間的推移，這種反應會形成一個高電阻層，限制設備的導電能力。但在低溫下，氧氣在空氣中凝結，這個問題也就不存在了。

其次，微型繼電器中的觸點往往會粘連一起，表現為遲滯效應：繼電器的開啟電壓與它的閉合電壓略有不同。但由于低溫下的附著力較弱，所以遲滯不到室溫下的5%。“我們事先并沒有想到這些器件在低溫下會運行得這么好。”劉金智潔說，她的研究生胡曉爾（音）在IEDM上介紹了她領導的研究。“回想起來，我們應該想到的。”

單通量量子邏輯

幾年前，位于紐約州埃爾姆斯福德的豪埔里圣（Hypres）公司已經實現了低溫集成電路的商業化。為了將公司的快速單通量量子邏輯技術（RSFQ）推向量子計算領域，該公司最近分拆出一家名為Seeqc的初創公司。

在RSFQ及其量子版本SFQuClass邏輯中，量子化的電壓脈沖被約瑟夫森結阻塞、傳遞或路由。當今大多數量子計算機芯片是由約瑟夫森結以及同類型超導器件構成的。

2014年，威斯康星大學麥迪遜分校的物理學家首次提出，這些脈沖可以用來進行量子位編程，自2016年以來，Seeqc公司的科學家一直在與他們以及雪城大學的科學家合作。Seeqc正在使用這項技術設計一個完整的系統：一款設計工作溫度為3到4開爾文的數字控制、糾錯和讀出芯片，以及另一款設計工作溫度為20毫開爾文的量子處理器接口芯片。

韋爾半金屬

量子計算已經很奇怪了，但它可能需要某些更奇怪的技術來實現。瑞典隆德大學和蘇黎世IBM研究所的科學家設計了一種稱為韋爾（Weyl）半金屬放大器的新裝置，他們說這種裝置可以使讀出電子器件更靠近量子位。如果你不知道什么是韋爾半金屬，不要擔心，因為即便是那些試圖用這些材料制造設備的科學家也沒有完全理解。

他們所知道的是，這些材料（如二磷化鎢）在冷卻到50開爾文以下時表現出極強的溫度依賴性磁阻。他們模擬的裝置有一個柵極，可在韋爾半金屬內部產生磁場，使它微小的電阻在幾皮秒的時間內變得巨大。將一個量子位的輸入連接到該裝置上，可以制作高增益放大器，功耗僅40微瓦。這樣低的功耗完全可以將放大器放置在靠近量子位的冰箱里。