冷卻技術(shù)應(yīng)用于小型化量子計(jì)算機(jī)

李垚

量子計(jì)算目前面臨諸多挑戰(zhàn)，其中一個(gè)是超導(dǎo)量子比特僅在接近絕對(duì)零度的溫度下才能真正工作，谷歌和IBM 在研發(fā)量子計(jì)算時(shí)都需要體積龐大的控制和冷卻系統(tǒng)，一些管子的直徑比人腰圍還粗，還需要數(shù)百根電線連接到外部微波發(fā)射器上。

英特爾的horse? ridge低溫控制芯片

2019年底英特爾研究院發(fā)布了代號(hào)為“Horse Ridge”的首款低溫控制芯片，以加快全棧量子計(jì)算系統(tǒng)的開發(fā)步伐。英特爾方面稱，Horse Ridge是高度集成的混合信號(hào)系統(tǒng)芯片，它將量子位控制引入量子冰箱中，以盡可能靠近量子位本身。Horse Ridge降低了量子控制工程的復(fù)雜性，從進(jìn)出冰箱的數(shù)百根電纜簡(jiǎn)化到在量子設(shè)備附近運(yùn)行的單個(gè)一體化套件。

英特爾量子硬件主管吉姆·克拉克表示：“盡管人們非常重視量子比特本身，但同時(shí)控制多個(gè)量子比特的能力一直是業(yè)界挑戰(zhàn)。量子控制是我們開發(fā)大規(guī)模商用量子計(jì)算系統(tǒng)急需解決的難題之一，這就是為什么我們要投資量子誤差校正和控制。”

長(zhǎng)期以來，在實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)功能、激發(fā)其潛力的競(jìng)賽中，研究人員更關(guān)注量子比特的制造，構(gòu)建了測(cè)試芯片，以證明少數(shù)疊加態(tài)量子比特強(qiáng)大的能力。但是在量子硬件開發(fā)中——包括對(duì)硅自旋量子比特和超導(dǎo)量子比特系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、測(cè)試和表征——認(rèn)定了阻止量子計(jì)算商業(yè)規(guī)?；闹饕款i：互連（interconnect）和控制（control electronics）。

研究人員一直致力于構(gòu)建小型量子系統(tǒng)，以證明量子設(shè)備的潛力。在絕大多數(shù)情況下，量子系統(tǒng)被放在一個(gè)低溫制冷系統(tǒng)內(nèi)（類似于冰箱），人們使用電子元件和高性能大型計(jì)算設(shè)備將它們和傳統(tǒng)計(jì)算設(shè)備相連，并通過后者調(diào)節(jié)量子系統(tǒng)和量子比特的性能。

這些設(shè)備通常是定制設(shè)計(jì)的，以控制單個(gè)量子比特，需要數(shù)百根連接線才能跨越 “冰箱” 控制量子處理器。驗(yàn)證量子系統(tǒng)的實(shí)用性需要成千上萬個(gè)量子比特，而商用量子解決方案甚至需要數(shù)百萬個(gè)量子比特，如果每個(gè)量子比特都需要這么多的連接線，系統(tǒng)的拓展性就受到了嚴(yán)重的阻礙。

借助 Horse Ridge，英特爾簡(jiǎn)化了運(yùn)行量子系統(tǒng)所需的電子控制設(shè)備，用高度集成的片上系統(tǒng)（SoC）替換笨重的儀器，簡(jiǎn)化整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)的同時(shí)，允許使用復(fù)雜的信號(hào)處理技術(shù)加快設(shè)置時(shí)間，改善量子比特性能以及更高效地?cái)U(kuò)展到更多的量子比特。除了具備22納米工藝，英特爾并未透露更多技術(shù)細(xì)節(jié)。

Horse Ridge 控制芯片以俄勒岡州最冷的地區(qū)命名，寓意它支持在約 4 開爾文的極低溫度下工作。但即使如此，這個(gè)溫度還是高于超導(dǎo)量子比特系統(tǒng)所需的溫度，大大降低了冷卻量子系統(tǒng)的難度。

新型電子冷卻技術(shù)正在成形

谷歌使用的稀釋制冷機(jī)

作為英特爾的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，谷歌和 IBM 也專注于超導(dǎo)量子比特的研究，由此驅(qū)動(dòng)的量子計(jì)算系統(tǒng)需要在毫開爾文區(qū)間內(nèi)運(yùn)行，僅比絕對(duì)零度高一點(diǎn)點(diǎn)。未來隨著研究的繼續(xù)，這些企業(yè)希望讓低溫控制芯片和硅自旋量子比特處于相同的溫度下運(yùn)行，這樣或許可以解鎖更高級(jí)的封裝和互連技術(shù)，創(chuàng)造新的解決方案，比如將量子比特和控制系統(tǒng)集成在一個(gè)簡(jiǎn)化的封裝中。

現(xiàn)在就稱 Horse Ridge 是顛覆性成果、是超越谷歌和 IBM 的 “撒手锏” 仍然為時(shí)尚早，比如芬蘭VTT技術(shù)研究中心的研究人員開發(fā)了一種新的純電氣制冷方法，該方法通過結(jié)點(diǎn)之類的相同點(diǎn)有效地進(jìn)行冷卻和隔熱。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員將硅片懸吊在這種結(jié)點(diǎn)上，并通過一個(gè)結(jié)點(diǎn)將電流從一個(gè)結(jié)點(diǎn)輸送到另一個(gè)結(jié)點(diǎn)，從而對(duì)物體進(jìn)行制冷，電流使硅物體的熱力學(xué)溫度與周圍環(huán)境相比降低了40%。此發(fā)現(xiàn)可用于將來的量子計(jì)算機(jī)的小型化，因?yàn)樗梢燥@著簡(jiǎn)化所需的冷卻基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，該發(fā)現(xiàn)已于2020年4月10日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。

當(dāng)下的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)由稀釋冰箱冷卻，這種冰箱的運(yùn)行是基于泵推送不同同位素的氦氣的混合物，盡管現(xiàn)代稀釋冰箱是商業(yè)技術(shù)，但它們?nèi)匀皇前嘿F的大型科學(xué)儀器。VTT研究人員開發(fā)的這種電子冷卻技術(shù)卻可以替代最復(fù)雜的零件，新方法也引起了商業(yè)界的興趣，冷卻效果被證明可用于主動(dòng)冷卻硅芯片，大型冰箱中的量子電路。