为支持大规模超导量子计算机的开发，日本最大的公共研究机构之一国家先进工业科学与技术研究所 (AIST) 的研究人员与横滨国立大学、东北大学（日本国立大学之一）和NEC公司合作，提出并成功演示了一种可在低温下控制许多量子比特的超导电路。
2024年6月3日，Naoki Takeuchi、Taiki Yamae、Taro Yamashita、Tsuyoshi Yamamoto与Nobuyuki Yoshikawa合作在npj quantum information期刊上发表题为"Microwave-multiplexed qubit controller using adiabatic superconductor logic"（采用绝热超导逻辑的微波多路复用量子比特控制器）的研究论文。
在这项研究中，研究人员在液氦中4.2 K的条件下，成功地在概念验证实验中演示了一种可以通过单根电缆使用微波多路复用技术控制多个量子比特的超导电路。这种电路有潜力将每根电缆的微波信号密度提高约1,000倍，从而显著增加可控量子比特的数量，为大规模量子计算机的发展做出贡献。
开发可扩展的低温量子比特测控芯片具有挑战性
要实现实用的量子计算机，就需要在低温下控制大量量子比特的状态（多达一百万）。在量子计算机中，控制量子比特的微波信号在室温下产生，并通过不同的电缆单独传输到低温下的量子比特。这导致在室温和低温之间需要众多的电缆，并将可控量子比特的数量限制在大约1,000个，远达不到实用量子计算机的要求。
具体来说，低温量子比特控制器(QCs) 是构建大规模超导量子处理器的关键。然而，开发可扩展的低温量子比特控制器具有挑战性。这是因为超导量子比特需要在接近绝对零度的极低温环境下工作，以抑制热噪声，保证量子信息处理的准确性。然而，传统的CMOS(互补金属氧化物半导体)和SFQ(单通量量子)等电子控制系统，在室温下可以正常工作，但在10 mK的低温下工作时，由于其功耗相对较高，可能会超出制冷机的冷却能力，导致无法有效控制量子比特。
此外，随着量子处理器规模的扩大，需要控制的量子比特数量增加，相应地需要更多的同轴电缆来传输控制信号，这不仅增加了系统的复杂性，也使得制冷的难度进一步加大。
新型低温量子比特测控芯片大幅增加可控量子比特的数量
为了克服这些限制，文章提出了一种基于绝热量子通量参变器（AQFP）逻辑的新型QC，称为AQFP多路复用QC（AQFP-mux QC） 。AQFP逻辑利用了量子通量参变器的特性，能够在极低的功耗下运行，每个约瑟夫森结的功耗仅为约7皮瓦特（pW），这对于10-mK级的制冷能力来说是一个巨大的优势。AQFP-mux QC通过使用微波多路复用技术，能够在单个同轴电缆上产生多个频率的微波信号，从而控制多个量子比特，显著减少了所需的电缆数量。
AQFP多路复用量子比特控制器（AQFP-mux QC）
与传统方法相比，AQFP-mux QC的一个显著特点是它的功耗极低，每个量子比特的功耗仅为81.8皮瓦，这一数字比现有的低温CMOS和SFQ QCs低了几个数量级。这意味着在相同的制冷条件下，AQFP-mux QC能够支持更多的量子比特，从而大大提高了系统的可扩展性。
AQFP-mux QC采用了微波多路复用技术，这进一步增强了其可扩展性。通过这一技术，AQFP-mux QC能够通过减少所需的同轴电缆数量来简化系统设计。在传统的量子比特控制系统中，每个量子比特都需要通过单独的电缆与控制室相连，这不仅增加了系统的复杂性，也限制了系统的扩展能力。AQFP-mux QC通过使用微波多路复用，使得一个单一的电缆就能够传输控制多个量子比特所需的所有信号，从而显著降低了系统的物理复杂性。
论文中的实验证明了AQFP-mux QC的实际工作能力。实验在4.2 K的低温条件下进行，这一温度虽然高于量子比特工作的理想温度（约10 mK），但已经足够接近，能够展示AQFP-mux QC芯片的核心功能和性能。实验中，AQFP-mux QC芯片被设计为能够接收来自室温电子设备的单频微波信号，然后通过内部的AQFP逻辑处理，将其分解为多个不同频率的微波信号，每个频率对应控制一个量子比特。
实验演示：a 通过两个谐振频率分别为 f1 = 4.3392 GHz 和 f2 = 4.8171 GHz 的谐振器，对两个AQFP混频器（1和2）进行复用，AQFP-mux QC芯片的显微照片。混频器由包含 f1 和 f2 音调的单一LO电流Ilo激发。通过信号分析器观察混频器的输出电压（Vout1和Vout2）。b 在固定基带电流Ibb以在每个AQFP上产生0.5Φ0的条件下，Vout1在f1处和Vout2在f2处的开关操作。Vout1和Vout2分别由Iin1和Iin2单独控制开关，其逻辑值由(a1, a2)表示。Vout1和Vout2开启时的输出功率分别为-82.1和-81.8分贝毫瓦（dBm）。Vout1和Vout2的开关比分别为42.7和39.0 dB。c 输出通道之间的泄漏功率，即Vout1在f2处和Vout2在f1处。Vout1和Vout2的最大泄漏功率分别为-117.1和-121.1 dBm。d 对Vout2进行混频操作，Ibb上施加了1MHz的方波电流。在LO频率和边带频率（即f2和f2 ± 1 MHz）处出现峰值功率，演示了由AQFP混频器2进行的调制。
实验结果显示，AQFP-mux QC芯片在每个输出端口上都能产生功率约为80 dBm的微波信号。这一发现对于量子计算领域具有重要意义。在量子比特的控制中，信号的功率水平必须足够高，以便量子比特可以接收到并作出反应，同时又不能过高以至于引起不希望的量子态扰动或退相干。80 dBm的功率水平表明AQFP-mux QC芯片能够在保持系统稳定性的同时，提供足够的能量来精确操控量子比特。
同时，实验还展示了高达40 dB的开关比，这一指标反映了信号在"开"和"关"状态之间的区分度。高开关比意味着量子比特能够更清晰、更准确地接收到控制信号，从而提高量子计算操作的准确性和可靠性。
此外，实验还验证了AQFP-mux QC芯片的基本混频操作能力。混频是量子计算中一个重要的操作，它允许量子比特与微波信号进行相互作用，从而实现量子态的调制。通过在基带信号中引入一个1 MHz的方波，并观察在本地振荡器（LO）频率及其边带频率上出现的峰值功率，证明AQFP-mux QC芯片能够通过其AQFP混频器调制输出信号。
最后，论文还讨论AQFP-mux QC与量子比特集成时面临的挑战，主要包括频率匹配、输出功率校准、微波脉冲相位控制和电路设计改进。
作者首先指出了频率匹配的重要性。在量子计算中，每个量子比特都需要精确控制，这通常涉及到特定频率的微波信号。AQFP-mux QC需要能够产生与量子比特频率相匹配的微波信号，以确保有效的量子态操作。然而，由于制造过程中的变化，量子比特的实际频率可能与设计值存在偏差。因此，需要一个灵活的频率匹配机制来调整和校准AQFP-mux QC产生的微波信号，以适应每个量子比特的具体频率。
功率校准
另外，输出功率的单独校准问题也同样重要。不同的量子比特可能需要不同功率的微波信号来实现最佳的控制效果。AQFP-mux QC必须能够对每个输出端口的功率进行精确的调整和校准，以确保每个量子比特都能接收到适量的信号强度。这不仅涉及到硬件的设计，还需要复杂的校准算法和实时反馈机制，以动态调整输出功率。
尽管存在挑战，AQFP-mux QC因其超低功耗和减少电缆数量的优势，被认为是一种有潜力的可扩展量子比特控制器。下一步，研究者们计划在10毫开尔文温度下测试AQFP-mux QC芯片，作为与量子比特集成的初步验证，这将为实现大规模量子处理器的构建提供重要数据和经验。
关于创作者团队
Naoki Takeuchi
本文是由Naoki Takeuchi领衔的研究团队所撰写的。Naoki Takeuchi分别于 2008 年、2010 年和 2014 年在日本横滨国立大学获得电气和计算机工程学士、硕士和博士学位。自 2015 年起，他一直就职于横滨国立大学先进科学研究所，目前担任副教授。自 2021 年起，他还一直就职于国家先进工业科学技术研究所 (AIST) 的新兴计算技术研究中心，目前担任高级研究员。他的研究兴趣包括超导逻辑、低温探测器和非冯诺依曼计算。Takeuchi 是日本应用物理学会和日本电子、信息和通信工程师协会的成员。
这项研究显示了学术界与产业界在量子信息技术领域的紧密合作。同时，研究工作得到了两个重要资助机构的支持，分别是日本科学技术振兴机构的FOREST项目和日本学术振兴会的KAKENHI项目。这些资金支持对于推动量子计算技术的研究至关重要，它们帮助研究团队在实验设计、材料采购、数据分析和结果验证等方面提供了必要的资源。
另外，值得注意是，NEC公司通过与国立先进工业科学技术研究所（AIST）的合作，参与了量子技术共同研究实验室的工作，推动了此次研究的进行。通过与AIST的合作，NEC公司不仅能够促进量子技术的基础研究，还能够推动量子技术在实际应用中的发展，如在材料科学、药物发现、优化问题解决以及加密通信等领域的应用。
此外，NEC公司在量子信息领域的研究和开发工作，也可能涉及到量子比特的控制技术、量子算法的开发、量子计算机的系统集成以及量子安全等方面。这些研究工作有望为量子技术的实际应用奠定坚实的基础，并在未来的量子计算竞赛中占据有利地位。通过这些合作和研发活动，NEC公司不仅能够推动量子技术的发展，还能够为社会带来创新的解决方案，促进科技进步和产业升级。
总之，量子信息技术是一个受到广泛关注和重视的领域，吸引了来自政府和研究机构的资助。这不仅为研究人员提供了一个展示他们工作的平台，也促进了量子计算技术的发展和创新。通过这样的支持，Naoki Takeuchi和他的团队能够进一步推动量子处理器的可扩展性、效率和性能，为实现更大规模和更可靠的量子计算系统奠定基础。
参考链接
https://www.nature.com/articles/s41534-024-00849-2#data-availability