當(dāng)?shù)貢r間1月27日，微軟和悉尼大學(xué)研究團(tuán)隊發(fā)布了一款低溫量子控制平臺，可以控制數(shù)千個量子比特，微軟稱之為“相對于之前技術(shù)的一次飛躍”。

相關(guān)論文已于1月25日發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《自然-電子學(xué)》（Nature Electronics），題為“A cryogenic CMOS chip for generating control signals for multiple qubits”。

量子計算可能會應(yīng)用于化學(xué)、密碼學(xué)等眾多領(lǐng)域。但在擁有潛在計算能力的同時，量子比特也有著致命弱點——極不穩(wěn)定。量子態(tài)很容易受到環(huán)境的干擾，量子設(shè)備必須被安置在極端環(huán)境中，接近絕對零度的低溫、與電噪聲等外界干擾隔離。

因此，如果要同時控制數(shù)千個量子比特，光是把信息傳輸?shù)絾蝹€量子比特上就是個大挑戰(zhàn)，需要一條“信息高速公路”進(jìn)入量子比特們所處的“冰箱”。

此前，類似的系統(tǒng)往往像“鳥巢”那樣纏繞著大量的電線，只能適用于中等規(guī)模的量子計算機(jī)。

如果把量子控制平臺也放進(jìn)“冰箱”里呢？

微軟和悉尼大學(xué)研究團(tuán)隊開發(fā)的低溫量子控制平臺使用專用CMOS電路接受數(shù)字輸入并生成許多并行的量子比特控制信號。為低溫量子控制平臺中的芯片名為“醋栗”（Gooseberry，也稱Cryo CMOS），它能夠在100毫開爾文（mK）的低溫下運行，也就是標(biāo)準(zhǔn)商用制冷機(jī)的額定溫度下，而且能耗足夠低，從而解決量子計算機(jī)中的一些輸入輸出難題。

研究團(tuán)隊還開發(fā)了一種通用的低溫計算核心（cryo-compute core），能夠進(jìn)行通用計算。核心的工作溫度約為2開爾文，比醋栗運行時的溫度高20倍，可以通過浸入液氦實現(xiàn)。

在研究團(tuán)隊展示的量子堆棧圖中，醋栗芯片所在的位置非常靠近量子比特，低溫計算核心則位于經(jīng)典計算層（Classical Compute）的底部，兩者相互配合實現(xiàn)通信。

在他們的設(shè)計中，醋栗芯片的擺放位置格外重要，這主要與溫度相關(guān)。當(dāng)芯片和量子比特之間的導(dǎo)線很長時，制冷機(jī)內(nèi)會產(chǎn)生大量熱量。把芯片放在量子比特附近可以避免這個問題；但假如距離太近，芯片產(chǎn)生的熱量有可能使量子比特升溫。

與其他控制平臺相比，醋栗芯片的獨特之處在于，它和量子比特相鄰且處于相同的溫度下，能夠?qū)⒌蜏赜嬎愫诵牡慕?jīng)典指令轉(zhuǎn)換為電壓信號，再傳遞到量子比特。

研究團(tuán)隊采用的方法是，將醋栗芯片放入量子比特所在的制冷機(jī)，但與量子比特隔離；這樣一來，芯片產(chǎn)生的熱量會進(jìn)入混合室（Mix chamber），遠(yuǎn)離量子比特。

這種設(shè)計可以解決一系列溫度問題，但新問題隨之產(chǎn)生：芯片需要與量子比特在相同的溫度下運行，也就是100毫開爾文。在這個溫度下操作標(biāo)準(zhǔn)的大塊CMOS芯片是一個挑戰(zhàn)。因此，研究團(tuán)隊在芯片設(shè)計中使用了絕緣體上硅技術(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)在低溫下的表現(xiàn)。

研究團(tuán)隊稱，這醋栗芯片和低溫計算核心都是大規(guī)模量子計算機(jī)的關(guān)鍵進(jìn)展，也是多年工作的結(jié)果。他們表示，除了量子計算機(jī)的基本構(gòu)造之外，還有許多相關(guān)的概念有待開發(fā)。

“在實現(xiàn)有意義的量子計算機(jī)之前，還需要更多次飛躍。”