里程碑：面向超导量子处理器的开源室温控制系统
光子盒研究院出品
美国劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)的物理学家和工程师团队成功证明了在室温下用于量子比特控制的低成本、高性能射频(RF)模块的可行性。他们构建了一系列紧凑的射频模块来混合信号，以提高超导量子处理器控制系统的可靠性。他们的测试证明，使用模块化设计方法，降低了传统射频控制系统的成本和尺寸，同时仍能提供优于或相当于商用系统的性能水平。
他们的研究发表在美国物理联合会(AIP)的《科学仪器评论》(Review of Scientific Instruments)杂志[1]，并被AIP Scilight(科学之光)进行专题报道[2]，其研究是开源的，已被其他量子信息科学(QIS)团队采用。该团队预计，射频模块的紧凑设计也适用于其他量子比特技术。这项研究是在伯克利实验室的高级量子试验台(AQT)进行的，由美国能源部科学办公室资助。
尽管在构建具有更多量子比特的处理器方面取得了重大进展(最终需要证明量子计算机优于经典计算机)，但量子计算机仍然存在噪声和容易出错的问题。每增加一个量子比特，就会带来新的复杂性和电气故障的可能性，尤其是在室温下。复杂性和计算能力的增长需要重新思考某些核心控制元素。
传统的射频控制系统使用模拟电路来控制超导量子比特，但这会变得庞大且极其复杂，从而成为潜在的故障点，并增加硬件控制的成本。来自伯克利实验室加速器技术和应用物理部门(ATAP)的AQT研究人员Gang Huang和Yilun Xu展示了一种控制量子比特的新方法，该方法已经在试验台的用户程序中为其他量子计算项目提供了增强功能。该团队将更大、更昂贵的传统射频控制系统替代为伯克利实验室建造的系统，后者使用更小的交互式混合模块。
这个模块化系统的一个关键方面是提供高分辨率、低噪声的射频信号，这些信号是在室温下操纵和测量超导量子比特所需要的。为此，在电子基带和量子系统之间转换量子比特操作和测量信号频率非常重要。
Huang解释说:“新模块表现出低噪声、高可靠性的操作，现在正成为我们在AQT许多不同实验配置中微波频率调制/解调的实验室标准。”
利用该团队的低噪声射频混频模块，以有限的中频在电子基带和量子系统固有频带之间转换带宽，研究人员可以利用噪声较小的转换器，以更低的成本获得更好的性能。
Huang和Xu说，虽然他们的系统是为超导系统设计的，但它可以扩展到其他量子信息科学平台。“一般来说，射频混频的架构可以扩展到更高的频率。因此，如果我们用合适的频率替换一些电子元件，这种紧凑的设计应该能够适应其他量子比特平台，例如半导体量子比特系统。”
研究人员还设计了电磁干扰屏蔽，以消除不必要的干扰，这些干扰会降低信号完整性并限制整体性能。这种屏蔽旨在防止量子计算机的常见问题——信号泄漏和干扰周围的电子设备。
随着开源控制系统的发布，该团队希望被更广泛的社区使用并为存储库做出贡献，从而改进硬件。通过用适当的频率替换一些电子元件，这种紧凑的设计可以适应各种量子计算设施。
Huang解释说:“这是我们为超导量子处理器开发开源控制系统的首批努力之一。我们将继续优化模块的物理尺寸和成本，并进一步与我们基于FPGA的控制器集成，从而提高量子比特控制系统的可扩展性。”
展望未来，研究人员已经在努力创造量子计算的新可能性，并提供控制量子比特的新技术。
Xu指出：“这种集成和优化将有助于基于室温的控制系统跟上量子处理器复杂性的发展。”
参考链接：
[1]https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0055906
[2]https://aip.scitation.org/doi/10.1063/10.0005687