對(duì)于大多數(shù)量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，熱是敵人。熱可導(dǎo)致在量子位元中產(chǎn)生錯(cuò)誤，在量子計(jì)算機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中，使計(jì)算機(jī)正在執(zhí)行的操作中斷。所以量子計(jì)算機(jī)需要保持在非常冰冷的環(huán)境下 -- 只比絕對(duì)零度高一點(diǎn)點(diǎn)。

“但是要操作計(jì)算機(jī)，你需要一些與非量子世界的接口，”imec的研究科學(xué)家Jan Cranickx說(shuō)。為了制造出更好的量子計(jì)算機(jī)，科學(xué)家和工程師們正試圖將更多的電子器件引入容納量子比特的稀釋致冷機(jī)。

在12月的IEEE國(guó)際電子設(shè)備會(huì)議（International Electron Devices Meeting，IEDM）上，來(lái)自六家公司和大學(xué)的研究人員提出了在低溫下運(yùn)行電路的新方法。這其中包括了以下三項(xiàng)努力：

在谷歌，研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種低溫集成電路來(lái)控制量子比特，將它們與其他電子設(shè)備連接起來(lái)。實(shí)際上，谷歌團(tuán)隊(duì)在2019年首次公布了他們的研究成果，但他們正在繼續(xù)擴(kuò)大這項(xiàng)技術(shù)的規(guī)模，著眼于建造更大的量子計(jì)算機(jī)。

谷歌量子人工智能（Google Quantum AI）的研究科學(xué)家、馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校教授Joseph Bardin表示，這種低溫CMOS電路與室溫下的同類(lèi)電路差別不大。但設(shè)計(jì)它并不是那么簡(jiǎn)單。現(xiàn)有的模擬和組件模型并不適合低溫操作。研究人員的大部分挑戰(zhàn)來(lái)自于使這些模型適應(yīng)寒冷的溫度。

谷歌的設(shè)備在致冷機(jī)內(nèi)的溫度為4開(kāi)爾文，比50厘米外的量子位溫度略高。這可能會(huì)大大縮小現(xiàn)在房間大小的電子產(chǎn)品機(jī)架。Bardin聲稱(chēng)，他們的低溫方法“最終也可以降低控制電子設(shè)備的成本。他說(shuō)，有效地控制量子計(jì)算機(jī)是至關(guān)重要的，因?yàn)樗鼈兡軌蜻_(dá)到100或更多個(gè)量子比特。

量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵部分是用來(lái)讀出量子位的電子器件。這些量子位本身發(fā)出微弱的射頻信號(hào)。進(jìn)入低噪聲放大器（low-noise amplifier，LNA），它可以增強(qiáng)這些信號(hào)，使量子位更容易讀取。不僅僅是量子計(jì)算機(jī)受益于低溫低噪聲放大器，射電望遠(yuǎn)鏡和深空通信網(wǎng)絡(luò)也在使用它們。

位于瑞典哥德堡的查爾默斯理工大學(xué)的研究人員正在嘗試制造低溫低噪聲放大器。他們的電路使用高電子遷移率晶體管（high-electron-mobility transistors，HEMTs），這對(duì)于快速開(kāi)關(guān)和放大電流特別有用。研究人員使用由磷化銦（InP）制成的晶體管，InP是LNAs的一種常見(jiàn)材料，不過(guò)砷化鎵在商業(yè)上更為常見(jiàn)。該大學(xué)的教授Jan Grahn指出，InP-HEMTs是深凍的理想材料，因?yàn)檫@種材料在低溫下比在室溫下更能傳導(dǎo)電子。

研究人員已經(jīng)對(duì)LNAs中的InP-hemt進(jìn)行了一段時(shí)間的修補(bǔ)，但是研究小組正在推動(dòng)他們的電路在較低的溫度下運(yùn)行，并且用電比以往任何時(shí)候都少，且他們的設(shè)備工作溫度低至4開(kāi)爾文。

任何量子計(jì)算機(jī)的圖像都被拜占庭式的布線(xiàn)所控制。這些電纜將量子位連接到它們的控制電子設(shè)備上，讀出量子位的狀態(tài)并反饋輸入。其中一些電纜可以被射頻多路復(fù)用器（RF multiplexer，RF MUX）剔除，這是一種可以控制多個(gè)量子位之間信號(hào)的電路。imec的研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種射頻多路復(fù)用器，可以把量子比特連接到致冷機(jī)里。

與許多實(shí)驗(yàn)性低溫電路不同，imec的射頻多路復(fù)用器工作在4開(kāi)爾文以下。Jan Cranickx說(shuō)，讓射頻多路復(fù)用器在那樣的溫度下工作意味著進(jìn)入了一個(gè)研究人員和設(shè)備物理學(xué)家沒(méi)有模型可以工作的世界。他把制造這種裝置描述為一個(gè)“反復(fù)試驗(yàn)”的過(guò)程，即把元件冷卻到毫開(kāi)爾文，然后觀(guān)察它們的工作情況。“這是一個(gè)完全未知的領(lǐng)域，”他說(shuō)。“從來(lái)沒(méi)有人這么做過(guò)。”

這個(gè)電路就在量子位旁邊，在稀釋致冷機(jī)冰冷的“心臟”深處。在更遠(yuǎn)的地方，研究人員可以連接其他設(shè)備，如低噪聲放大器和其他控制電路。這種設(shè)置可以減少每個(gè)量子比特?fù)碛凶约旱膹?fù)雜讀出電路的必要性，并使構(gòu)建具有更大數(shù)量的量子比特甚至數(shù)千個(gè)量子比特的復(fù)雜量子計(jì)算機(jī)變得更加容易。

原文標(biāo)題：改進(jìn)量子計(jì)算機(jī)的三項(xiàng)創(chuàng)新

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