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富士通和QuTech的研究人员已经开发出新的超冷电子电路来控制基于钻石的量子比特。通过他们的共同研究项目，可以在保持高质量性能的同时克服“布线瓶颈”，建造更大的量子计算机。
事实上，量子比特和控制电子设备都可以在一个紧凑的低温冰箱中方便地操作。研究人员将在IEEE的ISSCC上展示他们的研究结果。
未来的功能性量子计算机将包含数百万个量子比特，或“量子位”。它们将能够比传统计算机更快地处理复杂问题，特别是在密码学、优化和模拟等领域。此外，它们将能够解决经典计算机无法解决的问题，这是计算历史上的一个重要里程碑。
在此之前，需要克服一些挑战。其中之一是保持量子比特通常工作的极低温度。量子位利用了极其脆弱的量子效应，这种效应会受到很多东西的干扰，比如哪怕是最小的热量。因此，量子位被冷却到最冷的温度，接近绝对零度:0开尔文(或-273摄氏度)。
将任何东西冷却到这样的温度已经是一项壮举:如果在进行计算时热量泄漏到量子计算机的核心，那将是一件令人遗憾的事情。这种热量会立即破坏量子比特所持有的信息，使任何量子计算机都变得不可靠和不可用。
目前的惯例是将几个量子位放入一个小型低温冰箱中，并用几根电线将它们与冰箱外的电子设备连接起来，从而保持足够冷的温度。然而，要冷却数千甚至数百万个量子比特是非常困难的，因为冰箱里有这么多电线。在冷量子比特和室温电子设备之间的许多电线极大地影响了设备的可靠性、制造和尺寸。
为什么不冻结整个计算机，而不仅仅是量子位?这说起来容易做起来难，因为大多数集成电路只能承受-40°C到+125°C的环境温度，这比典型量子位的温度高得多。
但这正是代尔夫特理工大学和tno合作的qutech的研究人员和工程师所做的。他们使用低温cmos硬件来承受量子比特冰箱的极端温度，而不会牺牲整个系统的性能和可扩展性。
首席研究员Fabio Sebastiano (QuTech和代尔夫特理工大学)解释说:“在设计电气系统时，性能和功率之间总是存在平衡:一方的增加意味着另一方的减少。我们面临的挑战是在不限制功耗的情况下获得高性能。这是至关重要的，因为太大的功率可能会使用于保持系统低温的低温冰箱过热。
“我们使用了特定的低温电子控制器(cryo-CMOS控制器)来缓解互连瓶颈:现在我们需要更少的电线进入低温冰箱，这大大提高了整个量子计算机的可扩展性。”
他的同事(也是QuTech和代尔夫特理工大学)和首席研究员Masoud Babaie补充说:“为了进一步完善低温cmos控制器，电子学和量子处理器的结合设计方法是有益的。这包括策略性地安排和连接量子位到控制器。
“解决任何量子平台都需要仔细检查信号需求和控制器优化以实现可扩展性，重点是降低功耗和物理尺寸。这对于开发更大的量子计算机至关重要。”
富士通有限公司富士通研究院高级副总裁兼量子实验室负责人Shintaro Sato博士解释说:“控制电路和量子比特之间的布线是扩展量子计算机过程中的一个常见问题。我们的联合研究结果突出了低温cmos技术在金刚石自旋量子比特上克服这一瓶颈的潜力。我们预计，这项新技术将使我们能够在使用钻石自旋量子比特的量子计算机中实现预期的高可扩展性。”
此前，研究人员在硅中实现了自旋量子位的低温控制器。虽然这些自旋量子比特(原则上)可以用标准集成电路工艺(例如CMOS)和低温电子器件一起制造，但这里使用的钻石量子比特还有其他几个优点。
它们具有更好的保真度，它们可以更容易地相互远程连接，从而为附近的电子设备腾出空间，并且它们可以在(相对)更高的温度下工作。较高的工作温度与电子产品特别相关，因为在1开尔文(-272.15°C)下操作很难，但比在0.020开尔文下操作更简单。
这是首次展示金刚石量子比特低温电子技术的重大进展。虽然现在已经实现了用低温电子技术控制单量子位的非常重要的第一步，但研究人员已经在通过添加所有其他必要的功能来进行下一步的工作，例如从1量子位操作扩展到2量子位操作并实现量子位读出功能，以及通过扩展到更大的量子处理器。
更多信息:基于色心的量子计算机中具有de类驱动和直流磁场调谐的cro - cmos控制器，2024,IEEE国际固态电路会议(ISSCC)。引文:冻结电子器件以控制钻石自旋量子位(2024,2月21日)检索自2024年2月26日https://techxplore.com/news/2024-02-electronics-diamond-qubits.html本文受版权保护。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。内容仅供参考之用。
