前进！向实现量子处理器的低温控制迈进

文 / Joseph Bardin，Google AI 量子团队客座教职研究员；Erik Lucero，研究员及硬件负责人

打造一台能够解决实际问题的量子计算机，解决因计算复杂性、成本、能耗或解决方案推出时间而造成的那些 “老大难” 问题，这一直是 Google AI 量子团队的长期目标。就目前的技术水平而言，第一代误差校正量子计算机将需要大约 100 万个物理量子位，这比我们的 72 量子位量子处理器 Bristlecone 中存在的量子位多出四个数量级。在保持对每个量子位进行高质量控制的同时，增加容错量子计算机所需的物理量子位数量，这是一项令人振奋的技术挑战，但其间的复杂性不言而喻，这需要我们创新，而不止是简单地复制和粘贴当前的控制架构。其中一项关键挑战是将室温模拟控制电子装置重新定位至低温恒温器中的 3 开尔文档，以减少每个量子位的输入 / 输出控制线数量，同时保持高质量的量子位控制。
注：Bristlecone 链接

https://ai.googleblog.com/2018/03/a-preview-of-bristlecone-googles-new.html

我们参加了在旧金山举办的国际固态电路研讨会，并展示了我们的第一代低温互补金属氧化物半导体 (CMOS) 单量子位控制器，为解决这一挑战迈出了第一步。此控制器采用商用 CMOS 技术制造，可以在 3 开尔文环境下运行，且功耗低于 2 毫瓦，而尺寸仅为 1 × 1.6 毫米。就功能而言，它可以为单量子位门操作提供指令集，通过室温和 3 开尔文之间的数字线路实现对量子位的模拟控制，相较目前的室温控制电子装置，其功耗降低约 1000 倍。 

Google 的第一代低温 CMOS 单量子位控制器（右侧为中心部件放大图）已经封装，可以随时部署在我们的低温恒温器中。控制器的尺寸为 1 × 1.6 毫米

如何控制 72 个量子位

在 圣芭芭拉的实验室 中，我们将频率为千兆赫的模拟控制信号应用于每个量子位，以便在 Bristlecone 上运行程序，进而操控量子位的状态、纠缠量子位，并测量计算结果。我们对这些控制信号的形状和频率的定义会直接影响计算质量。为了形成高质量的量子位控制信号，我们采用了专为在室温条件下服务器机架中封装的智能手机开发的技术。各同轴电缆会将这些信号传送给每个量子位，这些量子位保存在冷却到 10 毫开尔文的低温恒温器中。对于 Bristlecone 规模级的量子处理器而言，其每个量子位需要 2 条控制线路，处理 144 个独特的控制信号，这种方法是可行的，但我们发现，要将系统扩增至百万量子位的级别，我们需要采用更综合的方法。

注：圣芭芭拉的实验室 链接

https://ai.googleblog.com/2014/09/hardware-initiative-at-quantum.html

研究员 Amit Vainsencher 正在检查一个 Google 王牌低温恒温器中的 Bristlecone 接线。蓝色同轴电缆从定制的模拟信号电子装置（右侧的服务器机架）连接到量子处理器

在当前的设置中，从室温环境连接到低温恒温器内量子位的接线数量，以及低温恒温器的限定冷却功耗是一个很大的限制。缓解此问题的一个方法是，让数模转换控制更接近量子处理器。目前，我们使用室温数模转换波形发生器控制单个量子位，每个量子位消耗大约 1 瓦的废热。而我们的低温恒温器在 3 开尔文时的冷却功率为 0.1 瓦。换言之，如果我们将 150 个波形发生器塞入低温恒温器中（暂时不考虑冷藏室内有限的物理空间），低温恒温器将面临 1500 倍的冷却功率过载，这会烧坏低温恒温器，也会使我们的量子位变得毫无用处。因此，只是在低温恒温器中安装现有的数模转换模拟控制器，并不能解决数百万个量子位的控制问题。很明显，我们需要集成的低功率量子位控制解决方案。

一个 “酷冷” 创意

我们与马萨诸塞州大学的 Joseph Bardin 教授 合作，着手开发定制的集成电路 (IC)，以实现从低温恒温器内部控制量子位，最终减少与未来量子处理器之间的交互式物理输入/输出 (I/O) 连接。这些 IC 需要能够在超冷环境（特别是 3 开尔文的环境）下正常使用，并将数字指令转换为适用于量子位的模拟控制脉冲。我们的主要研究目标之一是，先设计一个功率要求低的定制 IC，以防止低温恒温器升温。
注：合作 链接

https://ece.umass.edu/faculty/joseph-bardin

我们将 IC 在 3 开尔文时的功耗设计为不超过 2 毫瓦，这很有挑战性，因为大多数物理 CMOS 模型的假定工作温度都接近 300 开尔文。根据低功率要求设计并生产出这种 IC 后，我们验证了低温 CMOS 量子位控制器确实可以在室温环境下工作。随后，我们在 3 开尔文温度下将其安装到低温恒温器中，并将其与量子位连接（在 10 毫开尔文温度下安装到同一个低温恒温器中）。我们开展了一系列实验来证实低温 CMOS 量子位控制器的工作情况与设计一致，还有最重要的一点，我们并没有在低温恒温器中安装一个 “加热器”。

图示为安装在稀释制冷机上（处于 3 开尔文档位），并且与一个量子位相连接的低温 CMOS 量子位控制器。我们的标准量子位控制电子装置与该处理器并联，以作为现场检查实验来支持量子位的控制和测量

低温环境中的性能

我们的新量子控制硬件的基线实验（包括 T1、拉比振荡和单量子门）表明，该硬件的性能与我们标准室温量子位控制电子装置的性能相近：量子位的相干时间几乎没有变化，并且通过改变低温 CMOS 量子位控制器外的脉冲幅度，我们观察到了高可见性的拉比振荡，即驱动量子位的特征响应。

使用标准和低温量子控制器测得的量子位相干时间比较

使用低温控制器测得的拉比振荡幅度。绿色和黑色痕迹分别是在 1 和 0 状态下测得量子位的概率

后续步骤

所有这些结果都让人感觉前景乐观，但这个第一代低温 CMOS 量子位控制器只是我们向真正可扩展量子位控制和测量系统迈出的一小步。例如，我们的控制器只能处理单个量子位，并且仍然需要多次连接室温环境。此外，我们还需要努力量化单个量子位门的出错率。但就结果而言，我们非常高兴能够在减少控制量子位所需能量的同时，仍然保持执行高质量量子位操作所需的精细控制。

致谢

这项研究得到了 Google 客座研究员项目的支持，当时马萨诸塞大学阿默斯特分校的 Bardin 副教授利用公休假的机会与 Google AI 团队进行了合作。同时，这项研究也离不开 Google AI 量子团队成员的诸多贡献，特别是 Evan Jeffrey 将低温 CMOS 控制器集成到量子位校准软件中；Ted White 恰逢其时地开发了量子位校准软件，还有 Trent Huang 不倦地进行设计规则检查。

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