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2021-12-15 12:47 |
一種新微波源可促進大規(guī)模量子計算機發(fā)展
量子計算是當前的研究熱點，科學(xué)家們都在為擴大量子計算規(guī)模、發(fā)展實用量子計算機而努力。最近，《自然·電子學(xué)》報告了一種電路，可在接近絕對零度的情況下，產(chǎn)生控制量子計算機所需的高質(zhì)量微波信號，這可能大大增加量子處理器中的量子比特數(shù)量。 `+uhy ,
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這項研究由阿爾托大學(xué)和芬蘭VTT技術(shù)研究中心領(lǐng)導(dǎo)的研究者完成，相關(guān)論文于當?shù)貢r間12月9日發(fā)表，論文標題為“A low-noise on-chip coherent microwave source”（一種低噪聲片上相干微波源）。 ,JEF GI{
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“我們的工作服務(wù)于大規(guī)模量子計算機，尤其是超導(dǎo)量子計算機。目前的超導(dǎo)量子計算機雖然在特定任務(wù)上體現(xiàn)出了優(yōu)越性，但離大規(guī)模通用量子計算機還很遙遠。”論文第一作者、阿爾托大學(xué)博士后（現(xiàn)華中科技大學(xué)物理學(xué)院副教授）嚴承宇表示。 _-#'j2
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嚴承宇介紹道，實現(xiàn)大規(guī)模量子計算機需攻關(guān)兩項核心技術(shù)：第一，找到實現(xiàn)更多量子比特相耦合的架構(gòu)。第二，實現(xiàn)量子比特與控制模塊的芯片化整合。 8:/e
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“第一點有很多人在做，第二點受到的關(guān)注較少，但是它確實是個瓶頸�！眹莱杏畋硎�，這是由于現(xiàn)有超導(dǎo)量子計算機的架構(gòu)：量子處理器在接近絕對零度的低溫環(huán)境運行（10 mK量級，10 mK=-273.14℃，一般由制冷機提供），而其微波控制模塊在室溫環(huán)境工作�？刂颇K的數(shù)量又會隨量子比特的數(shù)量線性增加。 M-giR:,
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嚴承宇表示，上述架構(gòu)適用于小規(guī)模量子計算機，要應(yīng)用于大規(guī)模量子計算機則存在四個弊端：第一，大量微波控制模塊需極高成本；第二，制冷機的有限物理空間無法容納大量的微波調(diào)制元件（比如衰減器）；第三，制冷機有限的制冷功率無法匹配大量微波元件的耗散功率，這可能破壞超導(dǎo)量子計算機所需的低溫環(huán)境，導(dǎo)致其性能大幅下降。第四，微波信號經(jīng)過較長的傳播路徑會產(chǎn)生波形的畸變和時延，這尤其限制以量子比特門為代表的對波形、時序高度敏感的量子操作。 iURk=*Z=
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“為了解決上面的四個問題，我們有必要把量子比特與控制模塊整合到一個芯片下，工作在同一個溫度（一般是10mK量級）。這樣我們可以避免使用很多不必要的微波調(diào)制元件，減少線路連接，從而解決了前三點弊端�！眹莱杏罱榻B道。 1Tm^
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“此外，在這個整合架構(gòu)中，驅(qū)動信號在一個微米級的芯片上傳遞，而不是像傳統(tǒng)架構(gòu)中要通過幾米的線纜傳輸還要經(jīng)過一系列對波形、時延有（負面）影響的微波元件，所以解決了第四點問題。這就在系統(tǒng)層面上為大規(guī)模量子計算機的發(fā)展鋪平了道路�！� :at$ HCaK
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據(jù)介紹，控制模塊中最核心的部分是片上的微波源。此前，多個團隊嘗試研制了片上微波源[Y．-Y． Liu et al． Science 347， 285 （2015）； M． C． Cassidy et al．， Science 355， 939 （2017）]。然而，這些微波源的輸出功率在0.2 pW量級，不夠驅(qū)動單個高品質(zhì)超導(dǎo)量子比特。盡管他們希望實現(xiàn)更大的輸出功率，但10mk的超低工作溫度制約了實際設(shè)計。 ~>+]%FPv
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此項工作中，新的微波源是一種可以與量子處理器集成的片上設(shè)備，其大小不到1毫米。研究者通過合適的材料選取和參數(shù)優(yōu)化，實現(xiàn)了能提供25pW的輸出功率的微波源，足以驅(qū)動10-1000個高品質(zhì)超導(dǎo)量子比特做快速的量子門操作。 )kkh JI*v
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“我們的設(shè)備產(chǎn)生的功率是以前的100倍，足以控制量子比特和執(zhí)行量子邏輯運算。”論文通訊作者、阿爾托大學(xué)教授Mttnen表示。 /\W Qx e
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“這是一個質(zhì)變�！眹莱杏畋硎�，“可操作的量子比特數(shù)量可以通過多級級聯(lián)的方式進一步增大�！背宋⒉ㄔ吹妮敵龉β剩芯咳藛T也關(guān)心輸出信號在頻率譜的線寬和噪聲：線寬越窄越好，若太寬則會引起串擾；微波源的噪聲會導(dǎo)致受其驅(qū)動的量子比特進行量子計算時發(fā)生失真，所以越小越好。 &Y^WP?HS
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“對比之前的工作，我們的微波源的輸出信號線寬更窄、噪聲減小了2個量級。基于上面的結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)受我們的片上微波源驅(qū)動的理想超導(dǎo)量子比特進行典型的量子門操作時，其操作失真率在長達10ms的演化時間中不到0.1%。所以，這個片上微波源確實滿足超導(dǎo)量子計算的需求�！眹莱杏畋硎�。 1Q. \s_2
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除了實驗，研究者們還提出一個理論模型，該模型可定量描述其微波源的性能，并指明進一步提升微波源性能的方法，可以作為后續(xù)工作的設(shè)計指導(dǎo)。 a! u
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不過，該設(shè)備生產(chǎn)的微波源——連續(xù)波微波源，不能按原樣控制量子比特。其需要被調(diào)整為脈沖，目前，該團隊正在開發(fā)快速開關(guān)微波源的方法。即使沒有形成脈沖，高效、低噪聲、低溫的微波源也可用于量子技術(shù)，例如量子傳感器。 <,>P
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