富士通（Fujitsu）與 QuTech 合作開發(fā)了被稱作 "世界首創(chuàng)"的低溫電子電路，用于控制基于金剛石的量子比特。這項(xiàng)新技術(shù)在保持高質(zhì)量性能的同時(shí)，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(yùn)行，是實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要里程碑。

QuTech 在今年二月舉行的 "ISSCC 2024 國際固態(tài)器件電路會(huì)議（IEEE International Solid-State Circuits Conference 2024）"上展示了與富士通公司聯(lián)合研究項(xiàng)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(yīng)，這些效應(yīng)會(huì)受到包括最小熱量在內(nèi)的各種影響的干擾。泄漏到量子計(jì)算機(jī)中的熱量會(huì)立即破壞量子比特所保存的信息，使任何量子計(jì)算機(jī)變得不可靠和不可用。為了確保準(zhǔn)確運(yùn)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(yùn)行是一個(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn)，而保持量子比特足夠低溫的傳統(tǒng)方法需要一個(gè)小型低溫冰箱，量子比特通過電線與冰箱外的電子設(shè)備相連。

然而，低溫量子比特和室溫電子線路之間的導(dǎo)線會(huì)嚴(yán)重影響量子計(jì)算機(jī)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(xué)TU Delft與荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究組織TNO的合作機(jī)構(gòu)）的研究人員和工程師合作，利用QuTech在低溫半導(dǎo)體集成電路（cryo-CMOS電路）技術(shù)方面的專業(yè)知識(shí)和對熱干擾更強(qiáng)的金剛石自旋比特，開發(fā)出一種新技術(shù)，利用安裝在低溫冰箱中的cryo-CMOS電路成功驅(qū)動(dòng)了金剛石自旋比特。這項(xiàng)新技術(shù)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(guī)模集成量子計(jì)算機(jī)。

冷卻電子設(shè)備的新技術(shù)

富士通與 QuTech 合作開發(fā)了一種新技術(shù)，可冷卻整個(gè)量子計(jì)算機(jī)，而不僅僅是量子比特。利用cryo-CMOS 電路技術(shù)，富士通與 QuTech 共同設(shè)計(jì)出了在 4 開爾文條件下驅(qū)動(dòng)金剛石自旋量子比特所需的磁場應(yīng)用電路和微波驅(qū)動(dòng)電路。通過在與量子比特相同的低溫冰箱中驅(qū)動(dòng)該磁場應(yīng)用電路和微波驅(qū)動(dòng)電路，富士通和 QuTech 成功產(chǎn)生了足以驅(qū)動(dòng)金剛石自旋量子比特的磁場和微波。

這項(xiàng)新技術(shù)簡化了布線，有朝一日可能有助于實(shí)現(xiàn)高性能、大規(guī)模集成量子計(jì)算機(jī)。

QuTech 首席研究員 Fabio Sebastiano 解釋說："在設(shè)計(jì)電氣系統(tǒng)時(shí)，性能和功耗之間總是存在平衡問題：其中一個(gè)性能的提高意味著另一個(gè)性能的降低。我們面臨的挑戰(zhàn)是既要獲得高性能，又要不限制功耗。QuTech 首席研究員 Masoud Babaie 補(bǔ)充道："這一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)檫^高的功耗會(huì)使用于保持系統(tǒng)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(xiàn)在我們需要更少的電線進(jìn)入低溫冰箱，這大大提高了整個(gè)量子計(jì)算機(jī)的可擴(kuò)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(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)升級過程中的一個(gè)常見問題。我們的聯(lián)合研究成果凸顯了用于鉆石自旋量子比特的cryo-CMOS技術(shù)在克服這一瓶頸方面的潛力。我們預(yù)計(jì)，這項(xiàng)新技術(shù)將使我們能夠在使用金剛石自旋量子比特的量子計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)預(yù)期的高可擴(kuò)展性"。

未來計(jì)劃

新開發(fā)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了用于控制金剛石量子比特的低溫電子電路，標(biāo)志著向?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)邁出了重要一步。今后，富士通和 QuTech 將進(jìn)一步加強(qiáng)新開發(fā)的技術(shù)，包括從 1 量子位操作擴(kuò)展到 2 量子位操作、實(shí)現(xiàn)量子位讀出功能以及擴(kuò)展到更大規(guī)模的量子處理器。

QuTech 是代爾夫特理工大學(xué)（TU Delft）和荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究組織（TNO）以使命為導(dǎo)向的研究機(jī)構(gòu)。他們共同研究具有改變世界潛力的全新技術(shù)。他們的使命是：基于量子力學(xué)的基本規(guī)律，開發(fā)可擴(kuò)展的量子計(jì)算機(jī)原型和內(nèi)在安全的量子互聯(lián)網(wǎng)。

圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

審核編輯 黃宇