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微软发布低温量子控制平台,可以控制数千个量子比特

原标题:微软发布低温量子控制平台,可以控制数千个量子比特 来源:澎湃新闻

当地时间1月27日,微软和悉尼大学研究团队发布了一款低温量子控制平台,可以控制数千个量子比特,微软称之为“相对于之前技术的一次飞跃”。

相关论文已于1月25日发表在学术期刊《自然-电子学》(Nature Electronics),题为“A cryogenic CMOS chip for generating control signals for multiple qubits”。

量子计算可能会应用于化学、密码学等众多领域。但在拥有潜在计算能力的同时,量子比特也有着致命弱点——极不稳定。量子态很容易受到环境的干扰,量子设备必须被安置在极端环境中,接近绝对零度的低温、与电噪声等外界干扰隔离。

因此,如果要同时控制数千个量子比特,光是把信息传输到单个量子比特上就是个大挑战,需要一条“信息高速公路”进入量子比特们所处的“冰箱”。

此前,类似的系统往往像“鸟巢”那样缠绕着大量的电线,只能适用于中等规模的量子计算机。

如果把量子控制平台也放进“冰箱”里呢?

微软和悉尼大学研究团队开发的低温量子控制平台使用专用CMOS电路接受数字输入并生成许多并行的量子比特控制信号。为低温量子控制平台中的芯片名为“醋栗”(Gooseberry,也称Cryo CMOS),它能够在100毫开尔文(mK)的低温下运行,也就是标准商用制冷机的额定温度下,而且能耗足够低,从而解决量子计算机中的一些输入输出难题。

研究团队还开发了一种通用的低温计算核心(cryo-compute core),能够进行通用计算。核心的工作温度约为2开尔文,比醋栗运行时的温度高20倍,可以通过浸入液氦实现。

在研究团队展示的量子堆栈图中,醋栗芯片所在的位置非常靠近量子比特,低温计算核心则位于经典计算层(Classical Compute)的底部,两者相互配合实现通信。

在他们的设计中,醋栗芯片的摆放位置格外重要,这主要与温度相关。当芯片和量子比特之间的导线很长时,制冷机内会产生大量热量。把芯片放在量子比特附近可以避免这个问题;但假如距离太近,芯片产生的热量有可能使量子比特升温。

与其他控制平台相比,醋栗芯片的独特之处在于,它和量子比特相邻且处于相同的温度下,能够将低温计算核心的经典指令转换为电压信号,再传递到量子比特。

研究团队采用的方法是,将醋栗芯片放入量子比特所在的制冷机,但与量子比特隔离;这样一来,芯片产生的热量会进入混合室(Mix chamber),远离量子比特。

这种设计可以解决一系列温度问题,但新问题随之产生:芯片需要与量子比特在相同的温度下运行,也就是100毫开尔文。在这个温度下操作标准的大块CMOS芯片是一个挑战。因此,研究团队在芯片设计中使用了绝缘体上硅技术,优化系统在低温下的表现。

研究团队称,这醋栗芯片和低温计算核心都是大规模量子计算机的关键进展,也是多年工作的结果。他们表示,除了量子计算机的基本构造之外,还有许多相关的概念有待开发。

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