面向量子计算的低温射频控制器的实现 | 应用物理前沿推介系列No.11
✦ +
+
本期推介
面向量子计算的低温射频控制器的实现
量子计算机在解决诸如因式分解、量子力学模拟这类传统计算机难题解决的问题方面有着独特优势[1-4]，近几年在世界范围吸引了巨大关注。量子计算机依赖量子位来表达特性，而量子位又具有量子迭加与量子纠缠（quantum entanglement）等特性，这给量子计算带来了独特优势。量子位可以想成是一个人造原子，如果仅考虑它的最低能阶，也就是基态|g>与第一激发态|e>，或者标注为|0>与|1>，则量子迭加态可表示为：α|0>+β|1>。这个迭加态可用布洛赫球（Bloch sphere，如图1a所示）中的一个向量来表示，它可以清楚表现出一个量子位的各种量子态。如果有N个量子位，则表示为2N个基本态的迭加，代表2N个同时存在的状态，并且可以同时进行计算。经典的并行计算每次处理信息位的个数与寄存器的个数呈线性相关，当N的数目达到一定值时，经典的计算方式是无法完成巨大的运算过程，而量子计算展现出惊人的量子平行性则给量子计算机带来巨大优势。
近期，IBM、Google、微软等巨头都做出数十个量子位的量子计算机，IBM甚至开放云端操作给使用者，许多企业乃至国家研究单位也投注大量资金与人才。国际争相投入量子计算机，并不是因为量子计算机即将完全取代经典计算机，而是已经了解经典计算机有其极限，例如量子计算机算出了分子中的氢键结等独特的化学交互作用，是传统计算机难以企及的任务。这就是需要投入量子计算机开发的关键。
虽然许多物理系统正在积极的研究中，基于超导量子电路的量子计算机已成为进展最为迅速的路线[5]。为了保持对每个量子位状态的总体控制，整个量子系统需要在低温下运行，以使热噪声能量远低于跃迁能量。目前，最先进的超高量子处理器使用外部电路进行控制，即使用在室温下操作成熟数字控制产生任意波信号对低温下量子位的状态进行控制，每个量子位至少有一条控制线，对应从室温温区到稀释制冷机温区。与CMOS经典逻辑电路不同，这种信号控制模式会使得量子位受到时序延迟和不准确的影响，容易导致信息丢失，从而在实际使用中产生相对较高的错误率[6]。而且，由于射频损耗、热量和稀释制冷机上输入输出（I/O）端口的限制影响系统中的量子比特总数，使得这种方法可以扩展到100个量子位，却很难继续扩展以构建需要动态电路操作的大规模量子计算机。此外，这种方法还将限制在mK温区对量子器件大规模统计表征的速度，而这对实现量子计算机应用至关重要。目前，量子计算机研发过程中，扩大其量子位规模和提升量子位控制效率面临的主要问题之一是如何解决处于mK温区的量子位所需要的电子控制单元[7]。例如，某些类型的基于超导量子比特的量子计算机需要大约4 GHz~6 GHz的射频（RF）脉冲来控制控制它们的状态，并且可能同时处理所有的量子比特的状态（例如用于量子纠错）。最近，IBM的量子计算团队宣布现在已经开发出了用于产生射频脉冲的量子位态控制器，且其可在低于4 K的温区工作[8-9]。该工作被著名期刊Nature Electronic作为研究亮点进行报道[7]。
图1 Transmon量子比特：(a)量子比特状态示意图（布洛赫球）；(b) Transmon量子比特示意图，其中L是约瑟夫森结，能量图显示其最低能量本征态；(c) Transmon的物理布局，以及蛇形共面波导 (CPW) 读出谐振器；(d)约瑟夫森结区的电子显微照片；(e) 通用射频控制器，使用任意波发生器（AWG）创建I和Q相位，与LO混合以生成近似高斯脉冲形状。摘自[8]。
Transmon是一种超导量子比特，由约瑟夫森结组成，作为与电容器并联的非线性电感器（图1b）[10-11]。它们在约瑟夫森能量大于电容充电能量的50倍的状态下运行，并且具有非线性能量级间距和最小的电荷分散。这些特性在基态和第一激发态之间产生了一个有效的两能级系统，这两个状态之间的典型能量分离对应于~5 GHz的频率[9]。因此，这些频率的微波脉冲能够驱动基态和激发态之间的跃迁和在耦合的量子位之间产生纠缠。纠缠产生的一个例子是两个量子位交叉共振相互作用[12]。图1c和d显示了Transmons量子比特的物理布局以及蛇形读出谐振器。
图2 (a)面积为3.2175 mm2的IC电路模块。两个通道被突出显示，并显示了不同电路块的位置；(b) 控制器封装；(c)器件连接器；(d)用于稀释制冷机实验的PCB电路；(e)低温筛选和表征实验的实验装置。摘自[9]。
研究人员使用14纳米FinFET CMOS工艺制备了针对Transmons量子比特的低温量子位态控制器（图2）[8-9]。它可以在4.5 GHz~5.5 GHz范围内生产任意波形的射频脉冲。由于过高的功耗会导致消耗量子计量系统的整体制冷能力，所以这种系统的一个关键指标是主动控制每个量子比特所需的功率，此量子位态射频控制器在5 K时功耗仅为23.1 mW。为了说明该方法的能力，该团队在3.5 K恒温器上对控制器进行了测试，实验表面该控制器可以实现对几个超高量子比特振荡频率的状态控制。
相较于常温器件，这类低温CMOS量子位控制器具有超低能耗特性使得其能够与量子位放置在相近位置，能够在减少控制量子位所需能量的同时，保持执行高质量量子位操作所需的精细控制，无疑将推动更高容量量子计算机的实现。除了上述工作之外，包括Google、微软在内的其他量子计算团队也在进行类似工作，已经验证低温CMOS量子位控制器可精准控制低温运作的超导以及半导体量子位。但是，目前的低温CMOS量子位控制器的实现只是向真正可扩展的量子位控制和测量系统迈出了一小步，各国在此方面的工作还处于起步阶段。它们还存在一些关键问题需要解决，例如这些控制器目前只能处理单个或几个量子位，仍然需要多次连接到室温环境。不过，可以确定的是不论将来是超导、光子或离子阱量子位系统成为主流，或是数种系统并用，都需要在这类能与超低温环境耦合的高容量控制器件方面取得突破，我们也相信随着对新机理、新结构的研究，以及尖端CMOS工艺应用，在不久的将来会有更大的进展。
推介人
刘楠 中国科学院物理研究所，副研究员，主要研究方向为低温半导体器件、低温电子输运、拓扑量子材料。
参考资料
[1] A. Montanaro, Quantum algorithms: an overview. Npj Quantum Inf. 2, 15023 (2016).
[2] J. Preskill, Quantum Computing in the NISQ era and beyond. Quantum 2, 79 (2018).
[3] S. Bravyi, D. Gosset, & R. Koenig, Quantum advantage with shallow circuits. Science 362, 308-311 (2018).
[4] A. J. Daley, et al., Practical quantum advantage in quantum simulation. Nature 607, 667-676 (2022).
[5] Acharya, Rohith, et al., Overcoming I/O bottleneck in superconducting quantum computing: multiplexed qubit control with ultra-low-power, base-temperature cryo-CMOS multiplexer. arXiv:2209.13060 (2022).
[6] P. Krantz, et al., A quantum engineer’s guide to superconducting qubits, Appl. Phys. Rev., 6(2): 021318 (2019).
[7] M. Parker, Controlling qubits with cryogenic devices[J]. Nature Electronics, 5(3): 125-125 (2022).
[8] S. Chakraborty, et al., A Cryo-CMOS Low-Power Semi-Autonomous Transmon Qubit State Controller in 14-nm FinFET Technology. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 57(11): 3258-3273 (2022).
[9] D. J. Frank, et al., A Cryo-CMOS Low-Power Semi-Autonomous Qubit State Controller in 14nm FinFET Technology. 2022 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC). IEEE, 65: 360-362 (2022).
[10] J. M. Gambetta, et al., Building logical qubits in a superconducting quantum computing system, Npj Quantum Inf. 3(1): 1-7 (2017).
[11] J. Koch, et al., Charge-insensitive qubit design derived from the Cooper pair box, Phys. Rev. A, Gen. Phys., 76(4): 042319 (2007).
[12] J. M. Chow, et al., Simple all-microwave entangling gate for fixed frequency superconducting qubits, Phys. Rev. Lett.,107 (8): 080502 (2011).
往期推介
新年重磅推出 | 应用物理前沿推介No.1
光频标技术 | 应用物理前沿推介No.2
光芯片集成的光频梳技术 | 应用物理前推介No.3
暗能量理论的首次确定性实验检验 | 应用物理前沿推介No.4
二维莫尔材料中的新型铁电效应 | 应用物理前沿推介No.5
功率集成电路新思路|应用物理前沿推介系列 | No.6
外场诱导金属-绝缘体转变的时间/空间协同表征 | No.7
前沿推介专栏
为推动中国的应用物理研究，中国物理学学会和中科院物理所“应用物理中心“合作推出《应用物理前沿推介》专栏，用以推动应用物理的学科教育，推介国际应用物理前沿的最新重要成果，把握有重大应用潜力的物理研究动态，促进不同学科和不同领域之间的交叉融合，激发新的原创思想，使物理研究更好地服务国家战略需求。
中国物理学会特别成立了“应用物理前沿推介委员会”，同时将鼓励各方向召集人牵头组织针对所在领域的专题讨论会，使广大物理同行以未来重大应用为牵引，进行有深度的学术研讨，促进优秀科学家之间的思想碰撞，激发科学家提出有颠覆性应用潜力的新原理、新方法、新技术路线和新概念。
专栏推介文章由“前沿推介委员会”委员亲自或邀请知名专家撰稿，具有前瞻性(Foresight)，易读性(Accessibility)，洞察性(Insights)，快速性(Timeliness)和突出性(Highlights)等特色亮点。
中国物理学会
应用物理前沿推介委员会
主 任：吴义政， 复旦大学
副主任：杨海涛，中科院物理所
一、传感与探测方向
召集人：柴国志
委 员：王鹏、彭斌、黄晓砥、贺晓霞
二、量子精密测量方向
召集人：荣星
委 员：屈继峰、刘刚钦、杜关祥、鲁大为
三、新型信息载体与技术方向
召集人：黄元
委 员：李志强、郝玉峰、叶堉、张金星
四、微波与太赫兹物理与技术方向
召集人：孙亮
委 员：齐静波、陶洪琪、李龙、高翔
五、光子与光电子学方向
召集人：肖云峰
委 员：魏钟鸣、王建禄、李家方、邓震
六、功率半导体物理与器件方向
召集人：孙钱
委 员：黄森、江洋、周弘、王俊
七、材料物理方向
召集人：于浦
委 员：柳延辉、刘淼、周家东、于海滨
八、低温物理与技术方向
召集人：金魁
委 员：程智刚、刘楠、李雪、沈俊
九、能量转化、存储与传输方向
召集人：禹习谦
委 员：史迅、刘明桢、赵怀周、王凯
十、极端条件物理与技术方向
召集人：吉亮亮
委 员：于晓辉、周睿、胡建波、付恩刚
END
往期精彩
5.中国物理学会-华为MindSpore Quantum学术奖励基金申请指南
8.《大家说物理》科学探索的天梯—强磁场的奥秘点亮“在看”，点亮科学之星