《自然》子刊報告一種新微波源，可促進大規模量子計算機發展

量子計算是目前的研究熱點，科學家們都在為擴大量子計算規模、發展實用量子計算機而努力。最近，《自然-電子學》報告了一種電路，可在接近絕對零度的情況下，産生控制量子計算機所需的高品質微波信号，這可能大大增加量子處理器中的量子比特數量。

這項研究由阿爾托大學和芬蘭VTT技術研究中心上司的研究者完成，相關論文于當地時間12月9日發表，論文标題為“A low-noise on-chip coherent microwave source”（一種低噪聲片上相幹微波源）。

“我們的工作服務于大規模量子計算機，尤其是超導量子計算機。目前的超導量子計算機雖然在特定任務上展現出了優越性，但離大規模通用量子計算機還很遙遠。”論文第一作者、阿爾托大學博士後（現華中科技大學實體學院副教授）嚴承宇對澎湃新聞（www.thepaper.cn）記者表示。

嚴承宇介紹道，實作大規模量子計算機需攻關兩項核心技術:第一，找到實作更多量子比特相耦合的架構。第二，實作量子比特與控制子產品的晶片化整合。

“第一點有很多人在做，第二點受到的關注較少，但是它确實是個瓶頸。”嚴承宇表示，這是由于現有超導量子計算機的架構：量子處理器在接近絕對零度的低溫環境運作（10 mK量級，10 mK=-273.14℃，一般由制冷機提供），而其微波控制子產品在室溫環境工作。控制子產品的數量又會随量子比特的數量線性增加。

嚴承宇表示，上述架構适用于小規模量子計算機，要應用于大規模量子計算機則存在四個弊端：第一，大量微波控制子產品需極高成本；第二，制冷機的有限實體空間無法容納大量的微波調制元件（比如衰減器）；第三，制冷機有限的制冷功率無法比對大量微波元件的耗散功率，這可能破壞超導量子計算機所需的低溫環境，導緻其性能大幅下降。第四，微波信号經過較長的傳播路徑會産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。

“為了解決上面的四個問題，我們有必要把量子比特與控制子產品整合到一個晶片下，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制元件，減少線路連接配接，進而解決了前三點弊端。”嚴承宇介紹道。

“此外，在這個整合架構中，驅動信号在一個微米級的晶片上傳遞，而不是像傳統架構中要通過幾米的線纜傳輸還要經過一系列對波形、時延有（負面）影響的微波元件，是以解決了第四點問題。這就在系統層面上為大規模量子計算機的發展鋪平了道路。”

據介紹，控制子產品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，不夠驅動單個高品質超導量子比特。盡管他們希望實作更大的輸出功率，但10mk的超低工作溫度制約了實際設計。

此項工作中，新的微波源是一種可以與量子處理器內建的片上裝置，其大小不到1毫米。研究者通過合适的材料選取和參數優化，實作了能提供25pW的輸出功率的微波源，足以驅動10-1000個高品質超導量子比特做快速的量子門操作。

“我們的裝置産生的功率是以前的100倍，足以控制量子比特和執行量子邏輯運算。”論文通訊作者、阿爾托大學教授M tt nen表示。

“這是一個質變。”嚴承宇表示，“可操作的量子比特數量可以通過多級級聯的方式進一步增大。”除了微波源的輸出功率，研究人員也關心輸出信号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；微波源的噪聲會導緻受其驅動的量子比特進行量子計算時發生失真，是以越小越好。

“對比之前的工作，我們的微波源的輸出信号線寬更窄、噪聲減小了2個量級。基于上面的結果，我們發現受我們的片上微波源驅動的理想超導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%。是以，這個片上微波源确實滿足超導量子計算的需求。”嚴承宇表示。

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，可以作為後續工作的設計指導。

不過，該裝置生産的微波源——連續波微波源，不能按原樣控制量子比特。其需要被調整為脈沖，目前，該團隊正在開發快速開關微波源的方法。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，例如量子傳感器。

“除了量子計算機和傳感器，片上微波源還可以作為其他電子裝置的時鐘。”M tt nen表示，“它可以讓不同的裝置保持相同的節奏，使它們能夠在所需的時間瞬間對幾個不同的量子比特進行操作。”

原文連結： https://www.nature.com/articles/s41928-021-00680-z