一种新微波源可促进大规模量子计算机发展

量子计算是当前的研究热点，科学家们都在为扩大量子计算规模、发展实用量子计算机而努力。最近，《自然·电子学》报告了一种电路，可在接近绝对零度的情况下，产生控制量子计算机所需的高质量微波信号，这可能大大增加量子处理器中的量子比特数量。

这项研究由阿尔托大学和芬兰VTT技术研究中心领导的研究者完成，相关论文于当地时间12月9日发表，论文标题为“A low-noise on-chip coherent microwave source”（一种低噪声片上相干微波源）。

“我们的工作服务于大规模量子计算机，尤其是超导量子计算机。目前的超导量子计算机虽然在特定任务上体现出了优越性，但离大规模通用量子计算机还很遥远。”论文第一作者、阿尔托大学博士后（现华中科技大学物理学院副教授）严承宇表示。

严承宇介绍道，实现大规模量子计算机需攻关两项核心技术：第一，找到实现更多量子比特相耦合的架构。第二，实现量子比特与控制模块的芯片化整合。

“第一点有很多人在做，第二点受到的关注较少，但是它确实是个瓶颈。”严承宇表示，这是由于现有超导量子计算机的架构：量子处理器在接近绝对零度的低温环境运行（10 mK量级，10 mK=-273.14℃，一般由制冷机提供），而其微波控制模块在室温环境工作。控制模块的数量又会随量子比特的数量线性增加。

严承宇表示，上述架构适用于小规模量子计算机，要应用于大规模量子计算机则存在四个弊端：第一，大量微波控制模块需极高成本；第二，制冷机的有限物理空间无法容纳大量的微波调制元件（比如衰减器）；第三，制冷机有限的制冷功率无法匹配大量微波元件的耗散功率，这可能破坏超导量子计算机所需的低温环境，导致其性能大幅下降。第四，微波信号经过较长的传播路径会产生波形的畸变和时延，这尤其限制以量子比特门为代表的对波形、时序高度敏感的量子操作。

“为了解决上面的四个问题，我们有必要把量子比特与控制模块整合到一个芯片下，工作在同一个温度（一般是10mK量级）。这样我们可以避免使用很多不必要的微波调制元件，减少线路连接，从而解决了前三点弊端。”严承宇介绍道。

“此外，在这个整合架构中，驱动信号在一个微米级的芯片上传递，而不是像传统架构中要通过几米的线缆传输还要经过一系列对波形、时延有（负面）影响的微波元件，所以解决了第四点问题。这就在系统层面上为大规模量子计算机的发展铺平了道路。”

据介绍，控制模块中最核心的部分是片上的微波源。此前，多个团队尝试研制了片上微波源[Y．-Y． Liu et al． Science 347， 285 （2015）； M． C． Cassidy et al．， Science 355， 939 （2017）]。然而，这些微波源的输出功率在0.2 pW量级，不够驱动单个高品质超导量子比特。尽管他们希望实现更大的输出功率，但10mk的超低工作温度制约了实际设计。

此项工作中，新的微波源是一种可以与量子处理器集成的片上设备，其大小不到1毫米。研究者通过合适的材料选取和参数优化，实现了能提供25pW的输出功率的微波源，足以驱动10-1000个高品质超导量子比特做快速的量子门操作。

“我们的设备产生的功率是以前的100倍，足以控制量子比特和执行量子逻辑运算。”论文通讯作者、阿尔托大学教授Mttnen表示。

“这是一个质变。”严承宇表示，“可操作的量子比特数量可以通过多级级联的方式进一步增大。”除了微波源的输出功率，研究人员也关心输出信号在频率谱的线宽和噪声：线宽越窄越好，若太宽则会引起串扰；微波源的噪声会导致受其驱动的量子比特进行量子计算时发生失真，所以越小越好。

“对比之前的工作，我们的微波源的输出信号线宽更窄、噪声减小了2个量级。基于上面的结果，我们发现受我们的片上微波源驱动的理想超导量子比特进行典型的量子门操作时，其操作失真率在长达10ms的演化时间中不到0.1%。所以，这个片上微波源确实满足超导量子计算的需求。”严承宇表示。

除了实验，研究者们还提出一个理论模型，该模型可定量描述其微波源的性能，并指明进一步提升微波源性能的方法，可以作为后续工作的设计指导。

不过，该设备生产的微波源——连续波微波源，不能按原样控制量子比特。其需要被调整为脉冲，目前，该团队正在开发快速开关微波源的方法。即使没有形成脉冲，高效、低噪声、低温的微波源也可用于量子技术，例如量子传感器。

“除了量子计算机和传感器，片上微波源还可以作为其他电子设备的时钟。”Mttnen表示，“它可以让不同的设备保持相同的节奏，使它们能够在所需的时间瞬间对几个不同的量子比特进行操作。”

相关链接：https://www.nature.com/articles/s41928-021-00680-z

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