微软成功研制低温芯片，可直接控制数千个量子比特

光子盒研究院出品

悉尼大学和微软的科学家和工程师们发明了一种工作温度比深空温度低40倍的单芯片，可以产生数千个量子比特的控制信号，开启了量子技术的下一个篇章。

芯片设计师、同时在微软和悉尼大学任职的David Reilly教授表示：“为了实现量子计算的潜力，机器将需要运行数千个甚至几百万个量子比特，世界上最大的量子计算机目前只运行几十个量子比特。规模如此小的部分原因是控制量子比特的物理结构受到限制。我们开发的新芯片打破了这些限制。”

悉尼大学物理学院David Reilly教授

研究结果已发表在《自然·电子学》上[1]。

大多数量子系统需要量子比特在接近绝对零度(-273.15℃)的温度下工作。这是为了防止它们失去“量子性”，即量子计算机执行专门计算所需的物质或光的特性。为了让量子设备能够做任何有用的事情，它们需要指令，即向量子比特发送和接收电子信号。在当前的量子体系结构中，这涉及到很多线缆。

“目前的机器制造了一组漂亮的线缆来控制信号；它们看起来像一个倒置的镀金鸟巢或吊灯。它们很漂亮，但从根本上说并不实用。这意味着我们无法扩大机器的规模来执行有用的计算。这是一个真正的输入/输出瓶颈。”Reilly教授说，他也是澳大利亚研究理事会(ARC)工程量子系统中心(EQUS)的首席研究员。

微软高级硬件工程师Kushal Das博士是该芯片的联合发明人，他说：“我们的设备省去了所有这些线缆。只需两根传输信息的线缆作为输入，即可产生数千个量子比特的控制信号。这改变了量子计算的一切。”

低温芯片平台在稀释制冷剂中。该设备可以在0.1K的温度下运行。

事实上，在此之前英特尔已经率先推出了低温控制芯片Horse Ridge系统，但它宣称只能控制100多个量子比特。

微软的控制芯片是在悉尼大学的微软量子实验室开发的，这是一个行业学术伙伴关系，它正在改变科学家应对工程挑战的方式。

Reilly教授说：“建造量子计算机可能是21世纪最具挑战性的工程任务。这不可能在一个国家的大学实验室里与一个小团队合作实现，而是需要像微软这样的全球科技巨头所能提供的规模。通过与微软的合作，我们不仅提出了一个克服输入/输出瓶颈的理论架构，我们还构建了它。”

他补充说：“我们已经通过设计一个定制的硅芯片并将其与量子系统耦合来证明这一点，我有信心说这是有史以来最先进的集成电路，可以在深冷温度下工作。”

如果量子计算机能够实现，它将有望通过解决密码学、医学、金融、人工智能和物流等领域中经典计算机无法解决的问题，实现新一轮的信息技术革命。

低温CMOS芯片平台。芯片本身就在发光元件的正下方，发光元件容纳着量子比特。

量子计算机与20世纪40年代的经典计算机处于相似的阶段。正如世界上第一台电子计算机ENIAC需要使用控制系统来实现任何有用的功能。

经过几十年的努力，我们终于克服了科学和工程方面的挑战，如今，数十亿个晶体管可以安装到手机中。

Reilly教授表示：“我们的行业正面临着更大的挑战，使量子计算超越ENIAC阶段。我们需要设计出在0.1K(-273.05℃)温度下运行的高度复杂的硅芯片，这是一个比深空温度低30倍的环境。”

Sebastian Pauka博士在悉尼大学的博士研究涵盖了大量的将量子器件与芯片连接的工作。他说：“在如此冷的温度下工作意味着我们的功率预算非常低。如果我们试图给系统注入更多的能量，就会导致系统过热。”

为了实现他们的成果，悉尼和微软的科学家建造了最先进的集成电路，在低温下工作。

Reilly教授说：“我们通过设计一个系统来做到这一点，该系统在量子比特附近运行，而不会干扰它们的运行。可以说，目前的量子比特控制系统被移出了距离量子比特几米远。它们大多存在于室温下。在我们的系统中，我们不必离开低温平台。芯片和量子比特就在一起。这意味着更低的功率和更高的速度。这是一个真正的量子技术控制系统。”

一个有用的量子机器所需的全部堆栈：David Reilly教授正在与微软全球科学家合作，实现一台容错通用量子计算机。他发明的装置在经典系统和量子系统之间的界面上运行。

Reilly教授说：“研究如何控制这些设备需要多年的工程开发。对于这款设备，我们是从四年前悉尼大学与微软合作时开始的，它是澳大利亚量子技术领域最大的一笔投资。我们建立了许多模型和设计库来捕捉晶体管在深冷温度下的行为。然后我们必须制造器件，对它们进行验证、表征，最后将它们连接到量子比特，以观察它们在实践中的工作情况。”

悉尼大学校长Stephen Garton教授说：“整个大学界都为Reilly教授的成功感到骄傲，我们期待着与微软的多年合作。”

Reilly教授说，这个领域现在已经发生了根本性的变化。这不仅仅是关于“这是我的量子比特”。它是关于你如何构建所有的层和所有的技术来构建一个真正的机器。“我们与微软的合作关系使我们能够以严谨的学术态度开展工作，并能看到我们的成果迅速付诸实践。”

悉尼大学副校长Duncan Ivison教授表示：“我们与微软的合作关系是为了实现David Reilly教授关于实现量子技术的愿景。很高兴看到这一愿景成为现实。”

Reilly教授说：“如果我们只停留在学术界，这个芯片就永远不会被制造出来。”

这位澳大利亚科学家说他不会就此止步。“我们刚刚开始这一波新的量子创新，”他说。“这一合作关系的伟大之处在于，我们不仅仅是发表一篇论文。我们现在可以继续制定在工业规模上实现量子技术的蓝图了。”

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41928-020-00528-y

[2]https://scitechdaily.com/beyond-qubits-cryogenic-chip-is-big-step-to-scale-up-quantum-computing/

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