华科大严承宇副教授在量子计算控制系统小型化、低温化方面取得突破

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量子计算机(这里指超导量子计算机)的工作流程是用户使用普通计算机输入数字信号，然后量子计算控制系统将其转换为微波信号，通过微波控制量子比特进行计算，然后控制系统将代表输出结果的微波信号再转换为数字信号，最后输出到用户的计算机界面。

但是当前的量子计算控制系统不仅体积庞大(下图红色方框，比稀释制冷机还大)，而且只能在室温下工作，与温度只有0.01 K(-273.14℃)的量子芯片相差近300℃，因此，控制系统与量子芯片的交互需要极其复杂的布线。仅布线成本就可以达到100万欧元。

12月9日，在华中科技大学物理学院副教授严承宇作为通讯作者的一篇《自然·电子学》[1]论文中，他与芬兰阿尔托大学、VTT(芬兰国家技术研究中心)的研究人员开发出了一种片上器件，可以产生控制量子计算机所需的高质量微波信号，同时可以在接近绝对零度的温度下工作。这是朝着使控制系统更接近量子处理器迈出的关键一步，这可能使处理器中量子比特的数量大大增加成为可能。

严承宇副教授曾于2019年1月至2021年1月在阿尔托大学开展博士后研究。

严承宇副教授

本工作报告了一种基于耦合到螺旋谐振器的约瑟夫森结并能够发射相干连续波微波的片上器件。该器件的特征严格遵循基于电容分流约瑟夫森结作为增益元件的微扰处理的理论。

该器件的工作原理和结构。a.样品的简化电路图，其中L1和C1分别是微波谐振器的等效电感和电容，R1模拟谐振器的损耗，Cs是与约瑟夫森结(JJ)并联的并联电容。b.在我们的微扰处理中，首先解决微波电流振荡产生的电压，仅考虑并联电容器，然后考虑作为电流源的约瑟夫逊结两端的电压如何扰动并联电容器的电流。c.电容分流JJ(图(a)中红色虚线框)对谐振器电路的影响可以用阻抗RJ+XJ来表示。d–f.器件概述，由耦合到螺旋谐振器的约瑟夫森结组成。接地面用粉红色表示。偏置线和螺旋谐振器用黄色突出显示。并联电容器显示为青色。

这种片上器件可以与量子处理器集成。尺寸不到一毫米，有可能消除对连接不同温度的高频控制电缆的需求。有了这种低功率、低温微波源，就可能使用更小的稀释制冷机，同时仍然增加处理器中量子比特的数量。

该器件的概念图

相比非片上器件，该器件的功率要低得多，但也不会低到无法控制量子比特和执行量子逻辑运算。论文另一位通讯作者，芬兰阿尔托大学和VTT技术研究中心教授Mikko Möttönen说：“我们设备产生的功率是以前版本的100倍，这足以控制量子比特和执行量子逻辑运算。它产生非常精确的正弦波，每秒振荡超过十亿次。因此，来自微波源的量子比特错误非常少，这在实现精确的量子逻辑运算时非常重要。”

与其他几种文献中的低温谐振器相比，本工作中的器件噪声也更小，见下表。

几种典型低温谐振器的比较

Möttönen还表示：“该器件产生的微波源，不能直接用来控制量子比特。首先，微波必须成形为脉冲。该团队目前正在开发快速打开和关闭微波源的方法。”

但即使没有产生脉冲的开关解决方案，一个高效、低噪声、低温的微波源也可以用于一系列量子技术，如量子传感器。

除了量子计算机和传感器，微波源还可以作为其他电子设备的时钟。“它可以让不同的设备保持相同的节奏，在需要时对几个不同的量子比特进行操作，”Möttönen解释道。

VTT的Juha Hassel等人先是进行了理论分析和初步设计。Hassel在VTT开始这项工作，目前是芬兰量子计算硬件公司IQM的工程和开发主管。随后，该器件在VTT制造，并由阿尔托大学博士后研究员严承宇和他的同事使用OtaNano研究基础设施进行操作。严承宇目前是中国华中科技大学的副教授。

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41928-021-00680-z

[2]https://www.aalto.fi/en/news/a-new-super-cooled-microwave-source-boosts-the-scale-up-of-quantum-computers

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