微软发布低温量子控制平台：控制数千量子比特，研究登上自然子刊

诚然，量子计算具有非常强大的计算能力，也可用于化学、密码学等其他领域，但其自身存在固有缺陷。量子设备需要放置于接近绝对零度的环境中，还要阻断电噪声等外界干扰，因此稳定的环境至关重要。在近日发表于《自然 · 电子学》杂志上的一项研究中，微软联合悉尼大学开发了一个低温量子控制平台，可以同时控制数千个量子比特，可称得上量子计算领域的一项突破。

量子计算对化学、密码学等领域带来极大影响。量子计算机的构造块不只是 0 和 1，而是 0 和 1 的叠加。这些量子计算基础单元叫做量子比特。将量子比特植入复杂设备并进行操作可以解决经典计算机无法处理的问题。

尽管量子比特带来了强大的计算能力，然而它们也存在缺陷：不稳定性。量子态极易受环境干扰，研究人员必须努力保护它们。这就需要降低环境温度使其逼近绝对零度，将它们与电噪声等外界干扰阻断。因此，有必要开发一个完整系统，来维护一个稳定的环境。然而，这还需要维持量子比特的通信。此前，此类系统只能处理有限数量的量子比特，无法适用于大规模量子计算机。

最近，来自微软和悉尼大学的研究团队开发了一个低温量子控制平台，利用专门的 CMOS 芯片接收数字输入，并生成很多并行量子比特控制信号，从而实现对数千个量子比特的支持。支持该平台的芯片叫做 Gooseberry，它在 100 毫开尔文 (mK) 的低温下运行，而且能耗很低，从而解决量子计算机中的多个 I/O 问题。相关研究发表在 Nature 子刊《Nature Electronics》上，微软也专门写了一篇博客介绍这项研究。

博客地址：https://www.microsoft.com/en-us/research/blog/full-stack-ahead-pioneering-quantum-hardware-allows-for-controlling-up-to-thousands-of-qubits-at-cryogenic-temperatures/

该研究团队还创建了一种通用的低温计算核心，其运行温度为 2 开尔文 (K)，可通过浸入液氦来实现。该温度是 Gooseberry 运行温度的 20 倍，制冷功率是 400 倍，因此该核心能够执行通用计算。

Gooseberry 和该计算核心可以帮助管理大规模量子计算机中不同部件以及计算机与用户之间的通信，是向每个量子比特收发信息的复杂「神经系统」的核心元素，同时维持稳定的低温环境，这对于具备成千上万量子比特的大规模商业系统而言是很大的挑战。

该研究团队负责人、悉尼大学教授 David Reilly。

概览：拓扑量子计算和量子堆栈

衡量量子计算设备时往往会统计它们包含多少个量子比特。但是，并非所有量子比特都是相同的，因此相应的计数往往无法精准地实现。微软量子团队的研究者正率先开发拓扑量子比特，它们在硬件层面内置了高级别的误差保护，由此减少了软件层面误差纠错所需的开销，并能够使用更少的物理量子比特完成更有意义的计算。

图 1：量子堆栈图。

这是微软提出方法的独特特征之一，但并不是唯一一个。在量子堆栈中，量子比特构成基底（base）。如上图 1 所示，量子平面（quantum plane）是由一系列拓扑量子比特（它们自身由半导体、超导体和电介质组成）、门、接线以及其他有助于处理原始量子比特信息的封装包组成。

至关重要的通信过程位于堆栈的中间层（图 1 中的「Quantum-Classical Interface」）。Gooseberry 芯片和低温计算（cryo-compute ）核心协同工作完成通信。其中，低温计算核心位于 Classical Compute 底部。而与其他控制平台相比，Gooseberry 的独特之处在于：它与量子比特一起处于与量子平面相同的温度下，能够将低温计算核心的经典指令转化为发送至量子比特的电压信号。

保持低温：在基于 CMOS 的控制平台上实现散热

Gooseberry 芯片的放置位置为什么如此重要呢？部分原因在于热量。当连接控制芯片与量子比特的接线很长时（如果控制芯片处于室温条件下，则接线必然如此），冰箱（fridge）内部就会产生大量的热量。将控制芯片放置于量子比特附近可以避免出现此问题。现在的折衷方案也是芯片靠近量子比特，并且芯片生成的热量可能会使量子比特升温。

Gooseberry 通过将控制芯片放置在靠近量子比特的位置（又不太近）来控制竞争效应。将 Gooseberry 放置于冰箱中并且与量子比特热隔离，则芯片产生的热量从量子比特中被吸走并进入混合室（mixing chamber）中。

具体如下图 2 所示：

图 2：左：Gooseberry（Cryo-CMOS）芯片的热传导模型原理图示；右：Gooseberry 芯片（红色）靠近量子比特测试芯片（蓝）和共振器芯片（紫色）。

芯片靠近量子比特解决了温度问题，但同时也产生了其他问题。若要在量子比特所在位置操作芯片，则需要在与量子比特相同的温度（100 mK）下工作。在此温度下操作标准块状 CMOS 芯片具有挑战性，因此 Gooseberry 芯片采用了全耗尽绝缘体硅片（fully-depleted silicon-on-insulator, FDSOI）技术，优化系统在低温下的操作性能。

此外，Gooseberry 芯片具有背栅偏置（back-gate bias），其中晶体管的第四终端可用于补偿温度变化。晶体管和门的系统允许对量子比特进行单独地校准，晶体管为每个量子比特发送单独的电压。

大量的门：不需要从室温到每个量子比特的单独控制线

Gooseberry 芯片的另一个优点是，在设计时，控制量子比特的电子门通过单个电压电源充电。同时，该电压电源以「循环」的方式周期性地通过门，并在必要时充电。

如下图 3 所示，Gooseberry 芯片由数字和模拟块组成。耦合的数字逻辑电路通过一个有限状态机（finite-state machine, FSM）执行芯片的通信、波形存储和自动化操作，同时芯片的数字部分也包含一个主控振荡器（master oscillator）。

该芯片还使用串行外设接口（Serial Peripheral Interface, SPI），以在高于量子堆栈的位置实现便捷通信。芯片的模拟组件是一系列的单元，它们被称为「charge-lock fast-gate, CLFG」单元。

cryo-CMOS 控制与量子点芯片的基准结果

研究者测试了 Gooseberry 芯片，查看将其与基于 GaAs 的量子点 (QD) 设备连接后的性能。在室温下，将量子点设备中的一些门与数模转换器 (DAC) 连接，对比其与标准控制方法的结果。CLFG 单元的功率泄露可以通过设备中的第二个量子点来衡量，对量子点电导率的度量提供了一种监测 charge-locking 过程的方式。该芯片中所有组件的温度都在控制芯片充电后测量，这表明在必要的频率或时钟速度范围内，温度能够保持在 100 mK 以下（参见下图 4）。

根据这些结果，研究者估计，Gooseberry 控制芯片所需的总系统功率是频率和输出门数量的函数。这些结果考虑了拓扑量子比特所需的时钟速度和温度。下图 5 展示了 Gooseberry 芯片能够在可接受的限制下运行，同时满足数千量子比特的通信。这一基于 CMOS 的方法还可用于基于电子自旋或 gatemon 的量子比特平台。