谷歌工程師Amit Vainsencher檢查了公司的量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。即使只連接了所需連接的一半，接入到72量子比特量子處理器的線纜也已是一大堆。

當(dāng)今量子計(jì)算系統(tǒng)的一大限制因素是，超導(dǎo)量子比特須處于低于1開爾文的低溫箱體中，但所有的控制和讀出電路都必須處于室溫下。對于現(xiàn)在的低于100量子比特的系統(tǒng)來說，有足夠的空間用于專用射頻電纜進(jìn)出箱體。但是要擴(kuò)展到做真正酷的事情所需的百萬量子比特系統(tǒng)的話，就沒有足夠的空間了。

所以，量子計(jì)算機(jī)工程師們想將一些電子電路放進(jìn)低溫冰箱。上個月在舊金山舉行的IEEE國際固態(tài)電路會議（IEEE International Solid-State Circuits Conference）上，谷歌、馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校和加州大學(xué)圣巴巴拉分校的研究人員報(bào)告說，他們在CMOS中制造了一個關(guān)鍵控制電路，該電路可以在低溫下工作。他們所介紹的這個電路是量子比特編程所需的一種高性能、低功耗的脈沖調(diào)制器。這是CMOS低溫量子控制IC與真實(shí)量子比特相互作用的第一個公開的實(shí)例。

馬薩諸塞大學(xué)阿姆赫斯特分校電子與計(jì)算機(jī)工程副教授Joseph Bardin說：“目前的方法暫時(shí)還可以，但它無法擴(kuò)展到百萬量子比特量級?！睂τ诠雀璧?2量子比特量子處理器來說，已經(jīng)有168根同軸電纜進(jìn)入冰箱并連接到10毫開爾文量子處理器。

Bardin研發(fā)的脈沖調(diào)制器IC 被用來編碼一個量子比特上的量子態(tài)，以執(zhí)行一個程序。量子計(jì)算機(jī)獲得并行能力，因?yàn)榱孔颖忍夭槐叵駛鹘y(tǒng)計(jì)算機(jī)中的比特那樣只能處于0或1的二進(jìn)制狀態(tài)。相反，它們可以是這些量子態(tài)的一種混合。脈沖調(diào)制器使用一組特定的RF頻率來產(chǎn)生這種混合。

“最大的挑戰(zhàn)是散熱。”Bardin解釋道。量子比特處于10毫開爾文的低溫下，但必然會放出熱量的控制電路不能在那么低的溫度下工作。研究人員的目標(biāo)是讓控制IC在4開爾文的溫度下工作?！叭欢?，在4 開爾文時(shí)，熱力學(xué)限制了冷卻效率。你最多只能得到1%的效率。實(shí)際情況更糟?！币虼?，每量子比特所用的電子元件消耗的功率只能在毫瓦范圍內(nèi)。

Bardin說，功率限制必須與控制精度的需求相平衡。CMOS晶體管在4 開爾文（這比硅晶圓代工廠的仿真模型能夠處理的溫度低200多度）時(shí)的表現(xiàn)是非常不同的，這就使問題變得復(fù)雜了。

“晶體管對溫度相當(dāng)敏感?！盉ardin說。當(dāng)溫度極低時(shí)，開關(guān)所需的電壓改變，金屬互連線失去電阻，曾經(jīng)的半導(dǎo)體基片變成絕緣體，還有其他一些奇怪的現(xiàn)象。也許最重要的是，在低溫下，當(dāng)各個晶體管在低功率水平下工作時(shí)，它們的相對特性會發(fā)生劇烈變化。

Bardin和谷歌的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)法以一種補(bǔ)償這些問題并在功耗和性能之間取得平衡的方法來設(shè)計(jì)IC。由此產(chǎn)生的IC消耗不到2 毫瓦，但它通過了測試。量子計(jì)算領(lǐng)域的其他大型企業(yè)，如IBM和英特爾，可能也在研發(fā)類似的系統(tǒng)，但他們還沒有公布他們的低溫IC。

還有兩個其他控制元件尚未被低溫集成。一個是讀出系統(tǒng)，另一個控制量子比特的別的方面（并非脈沖調(diào)制器）。Bardin說，在表征脈沖調(diào)制器的性能并對脈沖調(diào)制器的性能進(jìn)行優(yōu)化方面還有大量工作要做。