诚然，量子计算具有非常强大的计算能力，也可以用于其他领域，如就像化学和密码学一样，但它有先天的缺陷。量子设备需要放置在接近绝对零的环境中，并阻隔电噪声等外部干扰，因此稳定的环境至关重要。在近日发表在《自然 · 电子学》期刊上的一项研究中，微软和悉尼大学开发了一个低温量子控制平台，可以同时控制数千个量子位，堪称量子计算领域的突破.量子计算对化学和密码学等领域产生了巨大影响。量子计算机的构建块不仅仅是0和1，而是0和1的叠加。量子计算的这些基本单位称为量子比特。将量子位嵌入到复杂的设备中并对其进行操作可以解决经典计算机无法处理的问题。虽然量子比特带来了强大的计算能力，但它们也有一个缺点：不稳定。量子态极易受到环境干扰，研究人员必须努力保护它们。这需要降低环境温度以接近绝对零，并阻止它们免受电气噪声等外部干扰。因此，有必要开发一个完整的系统来维持一个稳定的环境。然而，这也需要保持量子位之间的通信。以前，这样的系统只能处理有限数量的量子比特，这使得它们对于大型量子计算机来说是不切实际的。近日，来自微软和悉尼大学的研究团队开发了一个低温量子控制平台，该平台使用专门的CMOS芯片来接收数字输入并生成许多并行的量子比特控制信号，以支持数千个量子比特。为该平台提供动力的芯片称为Gooseberry，它在100毫开尔文(mK)的低温下以低能耗运行，解决了量子计算机中的多个I/O问题。相关研究发表在Nature子刊《Nature Electronics》上，微软也专门写了一篇博客来介绍这项研究。博客地址：https://www.microsoft.com/en-us/research/blog/full-stack-ahead-pioneering-quantum-hardware-allows-for-controlling-up-to-thousands-of-qubits-at-cryogenic-temperatures/研究团队还创建了一个通用的低温计算核心，其运行温度为2开尔文(K)，这可以通过浸入液氦中来实现。这是Gooseberry的20倍温度和400倍冷却能力，允许核心执行通用计算。Gooseberry和计算核心可以帮助管理大型量子计算机中的不同组件以及计算机与用户之间的通信。它是复杂“神经系统”的核心要素，可以向每个量子比特发送和接收信息，同时保持稳定的低温环境。这对于拥有数万个量子比特的大规模商业系统来说是一个巨大的挑战。研究小组组长、悉尼大学教授DavidReilly。概览：拓扑量子计算和量子堆栈量子计算设备通常根据它们包含的量子位数量来衡量。然而，并非所有的量子比特都是相同的，因此相应的计数往往无法精确实现。MicrosoftQuantumTeam的研究人员率先开发了拓扑量子比特，它在硬件中内置了高级别的错误保护，从而减少了软件级别纠错所需的开销，并使用更少的物理量子比特实现更高效的量子比特。有意义的计算图1：量子堆栈图。这是Microsoft提议的方法的独特功能之一，但不是唯一的功能。在量子堆栈中，量子比特构成了基础。如上图1所示，量子平面是拓扑量子位（它们本身由半导体、超导体和电介质组成）、门、布线和其他有助于处理原始量子位信息的封装的集合。关键的通信过程位于堆栈的中间层（图1中的“Quantum-ClassicalInterface”）。Gooseberry芯片和低温计算核心协同工作以进行通信。其中，低温计算核心位于ClassicalCompute的底部。与其他控制平台相比，Gooseberry的独特之处在于它与量子位的量子平面处于同一温度，可以将低温计算核心的经典指令转换为电压信号发送给量子位。保持凉爽：在基于CMOS的控制平台上实现冷却为什么Gooseberry芯片的放置如此重要？部分原因在于热量。当连接控制芯片和量子位的电线很长时（如果控制芯片处于室温，则电线必须很长），冰箱内会产生大量热量。将控制芯片靠近量子比特放置可以避免这个问题。现在的权衡也是芯片靠近量子比特，芯片产生的热量可能会加热量子比特。Gooseberry通过将控制芯片放置在靠近量子位（但不要太近）的位置来控制竞争效应。通过将Gooseberry放入冰箱并对量子位进行热绝缘，芯片产生的热量被从量子位吸走并进入混合室。具体如下图2所示：图2：左：Gooseberry（Cryo-CMOS）芯片的热传导模型示意图；右图：Gooseberry芯片（红色）靠近量子位测试芯片（蓝色）和谐振器芯片（紫色）。芯片与量子比特的接近解决了温度问题，但也带来了其他问题。要运行量子位所在的芯片，它需要在与量子位（100mK）相同的温度下工作。在此温度下运行标准体CMOS芯片具有挑战性，因此Gooseberry芯片使用全耗尽绝缘体上硅(FDSOI)技术来优化系统在低温下的性能。此外，Gooseberry芯片具有背栅偏置，其中晶体管的第四端子可用于补偿温度变化。晶体管和门的系统允许单独校准量子位，晶体管为每个量子位发送单独的电压。许多门：不需要从室温到每个量子位的单独控制线Gooseberry芯片的另一个优点是，在设计时，控制量子位的电子门由单个电压源充电。同时，该电压源以“循环”方式周期性地通过栅极，并根据需要进行充电。如下图3所示，Gooseberry芯片由数字和模拟块组成。耦合数字逻辑电路通过有限状态机(FSM)执行芯片的通信、波形存储和自动化操作，而芯片的数字部分还包含一个主振荡器。该芯片还使用串行外设接口(SPI)，以便在量子堆栈之上轻松进行通信。该芯片的模拟组件是一系列称为“电荷锁定快速门，CLFG”单元的单元。cryo-CMOS控制和量子点芯片的基准测试结果研究人员测试了Gooseberry芯片，以了解它们在连接到基于GaAs的量子点(QD)设备时的性能。在室温下将量子点器件中的一些门与数模转换器(DAC)互连，并将结果与??标准控制方法进行比较。CLFG单元的功率泄漏可以通过器件中的第二个量子点来测量，而量子点电导率的测量提供了一种监测电荷锁定过程的方法。在控制芯片充电后测量了该芯片中所有组件的温度，这表明在必要的频率或时钟速度范围内，温度可以保持在100mK以下（见下图4）。基于这些结果，研究人员估计Gooseberry控制芯片所需的总系统功率是频率和输出门数量的函数。这些结果考虑了拓扑量子位所需的时钟速度和温度。下面的图5展示了Gooseberry芯片能够在可接受的范围内运行，同时满足数千个量子位的通信。这种基于CMOS的方法也可用于电子自旋或基于门子的量子位平台。
