富士通（Fujitsu）與 QuTech 合作開發了被稱作 "世界首創"的低溫電子電路，用于控制基于金剛石的量子比特。這項新技術在保持高質量性能的同時，解決了量子比特冷卻過程中的 "線路瓶頸 "問題，使量子比特和控制電子元件都能在緊湊的低溫冰箱中方便地運行，是實現更大規模量子計算機的一個重要里程碑。

QuTech 在今年二月舉行的 "ISSCC 2024 國際固態器件電路會議（IEEE International Solid-State Circuits Conference 2024）"上展示了與富士通公司聯合研究項目的成果。

背景介紹

量子比特利用的是極其脆弱的量子效應，這些效應會受到包括最小熱量在內的各種影響的干擾。泄漏到量子計算機中的熱量會立即破壞量子比特所保存的信息，使任何量子計算機變得不可靠和不可用。為了確保準確運行，量子比特需要冷卻到盡可能低的溫度，接近絕對零度開爾文（-273°C）。

控制量子比特的電子電路的精確運行是一個持續的挑戰，而保持量子比特足夠低溫的傳統方法需要一個小型低溫冰箱，量子比特通過電線與冰箱外的電子設備相連。

然而，低溫量子比特和室溫電子線路之間的導線會嚴重影響量子計算機的可靠性、制造和尺寸。

為解決這一問題，富士通與QuTech（代爾夫特理工大學TU Delft與荷蘭應用科學研究組織TNO的合作機構）的研究人員和工程師合作，利用QuTech在低溫半導體集成電路（cryo-CMOS電路）技術方面的專業知識和對熱干擾更強的金剛石自旋比特，開發出一種新技術，利用安裝在低溫冰箱中的cryo-CMOS電路成功驅動了金剛石自旋比特。這項新技術可以在與金剛石自旋比特相同的溫度（4開爾文）下安裝cryo-CMOS電路，從而簡化布線并建造高性能的大規模集成量子計算機。

冷卻電子設備的新技術

富士通與 QuTech 合作開發了一種新技術，可冷卻整個量子計算機，而不僅僅是量子比特。利用cryo-CMOS 電路技術，富士通與 QuTech 共同設計出了在 4 開爾文條件下驅動金剛石自旋量子比特所需的磁場應用電路和微波驅動電路。通過在與量子比特相同的低溫冰箱中驅動該磁場應用電路和微波驅動電路，富士通和 QuTech 成功產生了足以驅動金剛石自旋量子比特的磁場和微波。

這項新技術簡化了布線，有朝一日可能有助于實現高性能、大規模集成量子計算機。

QuTech 首席研究員 Fabio Sebastiano 解釋說："在設計電氣系統時，性能和功耗之間總是存在平衡問題：其中一個性能的提高意味著另一個性能的降低。我們面臨的挑戰是既要獲得高性能，又要不限制功耗。QuTech 首席研究員 Masoud Babaie 補充道："這一點至關重要，因為過高的功耗會使用于保持系統低溫的低溫冰箱過熱。我們使用特定的低溫電子控制器（cryo-CMOS 控制器）來緩解互連瓶頸：現在我們需要更少的電線進入低溫冰箱，這大大提高了整個量子計算機的可擴展性。

富士通有限公司研究員、高級副總裁兼富士通研究所量子實驗室主任Shintaro Sato博士解釋說："控制電路和量子比特之間的布線是量子計算機升級過程中的一個常見問題。我們的聯合研究成果凸顯了用于鉆石自旋量子比特的cryo-CMOS技術在克服這一瓶頸方面的潛力。我們預計，這項新技術將使我們能夠在使用金剛石自旋量子比特的量子計算機中實現預期的高可擴展性"。

未來計劃

新開發的技術實現了用于控制金剛石量子比特的低溫電子電路，標志著向實現大規模量子計算機邁出了重要一步。今后，富士通和 QuTech 將進一步加強新開發的技術，包括從 1 量子位操作擴展到 2 量子位操作、實現量子位讀出功能以及擴展到更大規模的量子處理器。

QuTech 是代爾夫特理工大學（TU Delft）和荷蘭應用科學研究組織（TNO）以使命為導向的研究機構。他們共同研究具有改變世界潛力的全新技術。他們的使命是：基于量子力學的基本規律，開發可擴展的量子計算機原型和內在安全的量子互聯網。

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審核編輯 黃宇