谷歌构建电路解决量子计算的一个大问题

超低功耗的低温IC(集成电路)将有助于解决量子计算机扩大规模的问题

谷歌工程师Amit Vainsencher研究了公司的量子计算机系统后发现，即使只连接一半的电路，也有很多电缆需要接入72-qubit量子处理器。

目前的量子计算系统运行的一个重要限制因素是：虽然它们的超导量子比特可以在低于1K的低温中正常工作，但所有负责控制和读出的电路却必须在室温条件下才能运行。对于目前的低于100-qubit的系统，专用射频电缆进出的空间是足够的，但是要扩展到百万级比特运行的系统中去处理更复杂的问题，那就没有足够的空间。

因此，量子计算机工程师希望将一些电子设备的运行温度降低。谷歌马萨诸塞大学阿默斯特分校和加州大学圣巴巴拉分校的研究人员报告说，他们最先制造了一个CMOS低温控制电路，可以在低温下工作。就在上个月的旧金山举行的IEEE国际固态电路会议上，他们对外宣称CMOS电路是一个编程量子比特所需的高性能，低功耗脉冲调制器。这是与实际量子比特相互作用的CMOS低温量子控制(lC)集成电路的第一个公开实例。

马萨诸塞大学阿默斯特电气和计算机工程副教授Joseph Bardin说，他在谷歌休假期间设计了IC集成电路，“目前该方法还尚可解决现存的问题，但它不能扩展到百万级量子比特处理更复杂的问题。”对于谷歌的72-qubit量子处理器，已有168根同轴电缆进入低温室并连接了10毫克重的量子处理器。

Bardin将脉冲调制器IC（集成电路）用于编码量子位上的量子态，使量子计算机获得了兼容功能。量子比特不像普通计算机中的位一样只能是0或1，它们可以通过脉冲调制器中特定的RF频率来放出0和1的混合体（叠加态）。

集成电路“最大的挑战是散热，”Bardin解释道，量子比特的温度是10millikelvins，此时不能保持在低温下工作的控制电路必然会熄火。研究人员针对这种情况设计了在4 K时运行的IC（集成电路）。“然而，在4K时，热力学限制了冷却效率，IC（集成电路）获得的最佳效率约为1％，实际效率更低。”因此，每个量子位的电子元件消耗的功率必须仅在毫瓦范围内。

Bardin说，这种功率限制必须与控制精度的需求相平衡，无论CMOS晶体管在4 k时的表现有多么不同，这个温度都比硅代工厂的仿真模型处理温度低200度以上，晶体管对温度非常敏感，当温度极低时，电压需要不断变化，连接的金属失去电阻，曾经的半导体彻底变成绝缘体，以及其他奇怪的东西。最重要的是，在低温、低功率下工作的个别晶体管，它们的相对特性或许会发生剧烈变化。

Bardin和Google团队设法设计一种可以解决这些问题并同时兼顾功耗和性能的IC（集成电路），这个IC（集成电路）消耗不到2 毫瓦，而且在测试过程中还可以使用量子比特运行。量子计算领域的其他大型企业，如IBM和Intel，可能正在研究类似的系统，但他们还没有透露他们的低温IC（集成电路）。

目前还有两个其他控制组件尚未低温集成。一个是读出系统，另一个是不同于脉冲调制器的控制组件。Bardin表示，在表征脉冲调制器的性能和优化方面还有很多工作要做。

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