谷歌又設計了一款芯片
照片來源：谷歌
谷歌工程師Amit Vainsencher檢查了公司的量子計算機系統。即使只連接了所需連接的一半，接入到72量子比特量子處理器的線纜也已是一大堆。
當今量子計算系統的一大限制因素是，超導量子比特須處於低於1開爾文的低溫箱體中，但所有的控制和讀出電路都必須處於室溫下。對於現在的低於100量子比特的系統來說，有足夠的空間用於專用射頻電纜進出箱體。但是要擴展到做真正酷的事情所需的百萬量子比特系統的話，就沒有足夠的空間了。
所以，量子計算機工程師們想將一些電子電路放進低溫冰箱。上個月在舊金山舉行的IEEE國際固態電路會議（IEEE International Solid-State Circuits Conference）上，谷歌、馬薩諸塞大學阿默斯特分校和加州大學聖巴巴拉分校的研究人員報告說，他們在CMOS中製造了一個關鍵控制電路，該電路可以在低溫下工作。他們所介紹的這個電路是量子比特編程所需的一種高性能、低功耗的脈衝調製器。這是CMOS低溫量子控制IC與真實量子比特相互作用的第一個公開的實例。
馬薩諸塞大學阿姆赫斯特分校電子與計算機工程副教授Joseph Bardin說：“目前的方法暫時還可以，但它無法擴展到百萬量子比特量級。”對於谷歌的72量子比特量子處理器來說，已經有168根同軸電纜進入冰箱並連接到10毫開爾文量子處理器。
Bardin研發的脈衝調製器IC 被用來編碼一個量子比特上的量子態，以執行一個程序。量子計算機獲得並行能力，因爲量子比特不必像傳統計算機中的比特那樣只能處於0或1的二進制狀態。相反，它們可以是這些量子態的一種混合。脈衝調製器使用一組特定的RF頻率來產生這種混合。
“最大的挑戰是散熱。”Bardin解釋道。量子比特處於10毫開爾文的低溫下，但必然會放出熱量的控制電路不能在那麼低的溫度下工作。研究人員的目標是讓控制IC在4開爾文的溫度下工作。 “然而，在4 開爾文時，熱力學限制了冷卻效率。你最多隻能得到1%的效率。實際情況更糟。” 因此，每量子比特所用的電子元件消耗的功率只能在毫瓦範圍內。
Bardin說，功率限制必須與控制精度的需求相平衡。CMOS晶體管在4 開爾文（這比硅晶圓代工廠的仿真模型能夠處理的溫度低200多度）時的表現是非常不同的，這就使問題變得複雜了。
“晶體管對溫度相當敏感。”Bardin說。當溫度極低時，開關所需的電壓改變，金屬互連線失去電阻，曾經的半導體基片變成絕緣體，還有其他一些奇怪的現象。也許最重要的是，在低溫下，當各個晶體管在低功率水平下工作時，它們的相對特性會發生劇烈變化。
Bardin和谷歌的研究團隊設法以一種補償這些問題並在功耗和性能之間取得平衡的方法來設計IC。由此產生的IC消耗不到2 毫瓦，但它通過了測試。量子計算領域的其他大型企業，如IBM和英特爾，可能也在研發類似的系統，但他們還沒有公佈他們的低溫IC。
還有兩個其他控制元件尚未被低溫集成。一個是讀出系統，另一個控制量子比特的別的方面（並非脈衝調製器）。Bardin說，在表徵脈衝調製器的性能並對脈衝調製器的性能進行優化方面還有大量工作要做。
