包括阿爾托大學、VTT和IQM在內(nèi)的研究聯(lián)盟設(shè)計了一種新的微波源，可以取代阻礙量子計算機大規(guī)模應(yīng)用的現(xiàn)有笨重控制系統(tǒng)。

在《自然·電子學》(Nature Electronics)發(fā)表的一篇新論文中，芬蘭的研究人員開發(fā)了一種電路，可在接近絕對零度的超低溫度下產(chǎn)生控制量子計算機所需的高質(zhì)量微波信號。這是讓控制系統(tǒng)更接近量子處理器的關(guān)鍵一步，有望大幅增加處理器中的量子位數(shù)。

導(dǎo)致量子計算機體積過大的一大因素是用于控制量子處理器量子位的機制。該機制通常通過一系列微波脈沖來實現(xiàn)。由于量子處理器在接近絕對零度的溫度下工作，控制脈沖一般通過寬帶電纜從室溫進入超低溫環(huán)境。

隨著量子位數(shù)的增加，所需電纜數(shù)量也會增加。這種實現(xiàn)方式限制了量子處理器的規(guī)模提升，因為用于冷卻量子位的冰凍室必須不斷擴大，以容納越來越多的電纜，同時這些電纜的降溫工作也帶來了更加沉重的負擔，最終證明這種方案不可行。

一個由阿爾托大學(Aalto University)、芬蘭VTT技術(shù)研究中心和IQM Quantum Computers等機構(gòu)組成的研究聯(lián)盟現(xiàn)已經(jīng)開發(fā)出解決這一難題的關(guān)鍵組件。團隊負責人Mikko Möttönen教授表示：“我們已經(jīng)構(gòu)建出精確的微波源，可在與量子處理器相同的超低溫度下工作，即大約零下273度。”Möttönen就職于阿爾托大學和芬蘭VTT技術(shù)研究中心，也是IQM聯(lián)合創(chuàng)始人和首席科學家。

新的微波源是一種可以與量子處理器集成在一起的片上設(shè)備。該設(shè)備尺寸不到一毫米，有可能消除對連接不同溫度環(huán)境的高頻控制電纜的需求。這種低溫低功耗微波源讓使用更小的低溫恒溫器成為可能，同時還能增加處理器中量子位的數(shù)量。

Möttönen表示：“我們的設(shè)備產(chǎn)生的功率是之前設(shè)備的100倍以上，足以控制量子位并進行量子邏輯運算。新設(shè)備能夠生成精確度極高的正弦波，每秒振蕩超過10億次。因此，因微波源而產(chǎn)生的量子位錯誤極少，這種特性對于實現(xiàn)精確的量子邏輯運算非常重要。”

不過，連續(xù)波微波源，比如由上述設(shè)備產(chǎn)生的微波源，無法直接用來控制量子位。這些微波必須首先被整形為脈沖。該團隊目前正在開發(fā)快速開啟和關(guān)閉微波源的方法。

即使沒有合適的開關(guān)解決方案來產(chǎn)生脈沖，高效、低噪、低溫的微波源也可用于一系列量子技術(shù)，例如量子傳感器。

Möttönen解釋道：“除量子計算機和量子傳感器之外，微波源還可用作其他電子設(shè)備的時鐘，讓不同的設(shè)備保持相同的節(jié)奏，使它們能夠在需要的時刻對幾個不同的量子位進行操作。”

理論分析和初始設(shè)計工作由VTT的Juha Hassel和其同事完成。Hassel在VTT啟動了此項工作，他目前是IQM Quantum Computers的工程與開發(fā)主管，該公司是泛歐地區(qū)量子計算機技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。相關(guān)設(shè)備隨后在VTT建造，并由阿爾托大學的博士后研究人員嚴承宇及其同事使用OtaNano研究基礎(chǔ)設(shè)施進行操作。嚴承宇現(xiàn)為華中科技大學副教授。參與這項研究的團隊隸屬于芬蘭科學院量子技術(shù)卓越中心(QTF)和芬蘭量子研究所(InstituteQ)。

原創(chuàng)研究論文

Chengyu Yan, Juha Hassel, Visa Vesterinen, Jinli Zhang, Joni Ikonen, Leif Grönberg, Jan Goetz and Mikko Möttönen, A low-noise on-chip coherent microwave source, Nature Electronics, DOI:10.1038/s41928-021-00680-z (2021)

https://doi.org/10.1038/s41928-021-00680-z（鏈接將在保密期過后開放）

可隨時下載論文預(yù)印本：https://arxiv.org/pdf/2103.07617

關(guān)于IQM Quantum Computers

IQM是泛歐地區(qū)量子計算機技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。

IQM為研究實驗室和超級計算數(shù)據(jù)中心提供現(xiàn)場量子計算，并提供對相關(guān)硬件的完全訪問權(quán)。通過獨一無二的面向特定應(yīng)用的合作設(shè)計方法，IQM為工業(yè)客戶帶來量子計算的優(yōu)勢。

IQM正在與VTT合作打造芬蘭第一臺商用54量子位量子計算機。同時，由IQM牽頭的聯(lián)盟(Q-Exa)正在德國建造量子計算機，該計算機將集成到一臺用于高性能計算(HPC)的超級計算機中，以加速未來的科學研究。IQM在畢爾巴鄂、慕尼黑和埃斯波設(shè)有辦事處，員工人數(shù)超過130名。