對于大多數量子計算機來說，熱是敵人。熱可導致在量子位元中產生錯誤，在量子計算機運轉中，使計算機正在執行的操作中斷。所以量子計算機需要保持在非常冰冷的環境下 -- 只比絕對零度高一點點。

“但是要操作計算機，你需要一些與非量子世界的接口，”imec的研究科學家Jan Cranickx說。為了制造出更好的量子計算機，科學家和工程師們正試圖將更多的電子器件引入容納量子比特的稀釋致冷機。

在12月的IEEE國際電子設備會議（International Electron Devices Meeting，IEDM）上，來自六家公司和大學的研究人員提出了在低溫下運行電路的新方法。這其中包括了以下三項努力：

在谷歌，研究人員已經開發出一種低溫集成電路來控制量子比特，將它們與其他電子設備連接起來。實際上，谷歌團隊在2019年首次公布了他們的研究成果，但他們正在繼續擴大這項技術的規模，著眼于建造更大的量子計算機。

谷歌量子人工智能（Google Quantum AI）的研究科學家、馬薩諸塞大學阿默斯特分校教授Joseph Bardin表示，這種低溫CMOS電路與室溫下的同類電路差別不大。但設計它并不是那么簡單。現有的模擬和組件模型并不適合低溫操作。研究人員的大部分挑戰來自于使這些模型適應寒冷的溫度。

谷歌的設備在致冷機內的溫度為4開爾文，比50厘米外的量子位溫度略高。這可能會大大縮小現在房間大小的電子產品機架。Bardin聲稱，他們的低溫方法“最終也可以降低控制電子設備的成本。他說，有效地控制量子計算機是至關重要的，因為它們能夠達到100或更多個量子比特。

量子計算機的一個關鍵部分是用來讀出量子位的電子器件。這些量子位本身發出微弱的射頻信號。進入低噪聲放大器（low-noise amplifier，LNA），它可以增強這些信號，使量子位更容易讀取。不僅僅是量子計算機受益于低溫低噪聲放大器，射電望遠鏡和深空通信網絡也在使用它們。

位于瑞典哥德堡的查爾默斯理工大學的研究人員正在嘗試制造低溫低噪聲放大器。他們的電路使用高電子遷移率晶體管（high-electron-mobility transistors，HEMTs），這對于快速開關和放大電流特別有用。研究人員使用由磷化銦（InP）制成的晶體管，InP是LNAs的一種常見材料，不過砷化鎵在商業上更為常見。該大學的教授Jan Grahn指出，InP-HEMTs是深凍的理想材料，因為這種材料在低溫下比在室溫下更能傳導電子。

研究人員已經對LNAs中的InP-hemt進行了一段時間的修補，但是研究小組正在推動他們的電路在較低的溫度下運行，并且用電比以往任何時候都少，且他們的設備工作溫度低至4開爾文。

任何量子計算機的圖像都被拜占庭式的布線所控制。這些電纜將量子位連接到它們的控制電子設備上，讀出量子位的狀態并反饋輸入。其中一些電纜可以被射頻多路復用器（RF multiplexer，RF MUX）剔除，這是一種可以控制多個量子位之間信號的電路。imec的研究人員已經開發出一種射頻多路復用器，可以把量子比特連接到致冷機里。

與許多實驗性低溫電路不同，imec的射頻多路復用器工作在4開爾文以下。Jan Cranickx說，讓射頻多路復用器在那樣的溫度下工作意味著進入了一個研究人員和設備物理學家沒有模型可以工作的世界。他把制造這種裝置描述為一個“反復試驗”的過程，即把元件冷卻到毫開爾文，然后觀察它們的工作情況。“這是一個完全未知的領域，”他說。“從來沒有人這么做過。”

這個電路就在量子位旁邊，在稀釋致冷機冰冷的“心臟”深處。在更遠的地方，研究人員可以連接其他設備，如低噪聲放大器和其他控制電路。這種設置可以減少每個量子比特擁有自己的復雜讀出電路的必要性，并使構建具有更大數量的量子比特甚至數千個量子比特的復雜量子計算機變得更加容易。

原文標題：改進量子計算機的三項創新

文章出處：【微信公眾號：IEEE電氣電子工程師學會】歡迎添加關注！文章轉載請注明出處。

責任編輯：haq