低温芯片、微型继电器及其他技术可帮助量子计算机扩大规模

低温芯片、微型继电器及其他技术可帮助量子计算机扩大规模

当研究人员努力扩大量子计算机的容量时，他们遇到了许多过完重大节日的人都会面临的一个问题：冰箱里没有足够的空间了。

今天的量子计算机处理器必须在接近绝对零度的低温环境中工作，但用于读出和控制的电子元件却无法在这种温度下工作。所以这些电路必须放置在冰箱外面。对于如今不到100量子位的系统来说，尚有足够的空间专用于连接电缆，但对于未来的百万量子位系统来说，空间则是不够的。这样的系统将需要可在冰箱内运行的超低功耗控制芯片。

在2019年12月于旧金山召开的IEEE国际电子器件会议（IEDM）上，工程师们公布了一些潜在的解决方案，既有我们熟悉的，也有非常奇特的。

低温CMOS

改善互补金属氧化物半导体（CMOS）技术也许是实现量子计算机低温控制的最直接方法。不出所料，英特尔采取了这个方案。该公司推出了一款名为Horse Ridge的低温CMOS芯片，将量子计算机的指令转换为基本的量子位操作，并通过微波信号传送给处理器。Horse Ridge的设计工作温度为4开尔文，比量子位芯片本身的温度略高，但也已经足够低了，可以和量子位芯片一起放在冰箱里。英特尔公司利用其22纳米鳍式场效应晶体管（FinFET）制造工艺制造了这款芯片，但构成控制电路的晶体管需要大量的重新设计。

“如果你拿一个晶体管，冷却到4开尔文，它是否能工作是未知的。”英特尔量子硬件部门主管吉姆•克拉克（Jim Clarke）说，“器件的许多基本特性都与温度有关。”其他一些公司也在按照同样的思路工作。2019年初，谷歌推出了一款低温CMOS控制电路。微软及其合作者也进行了相关研究（在截至发稿时还在研究之中，尚未经过同行评议）并表示，他们已经制造出一款可集成10万晶体管的CMOS控制芯片，工作温度为100毫开尔文。

微型继电器

在逻辑电路中，晶体管可作为开关，但它并不是唯一可作为开关的器件。加州大学伯克利分校刘金智洁（Tsu-Jae King Liu）实验室的工程师们开发出了微米级机电继电器，作为超低功耗元件替代晶体管。他们惊奇地发现，他们的器件在4开尔文的温度下要比在室温下运行得更好。在室温下，器件会受一些机械特性影响。首先，环境中的氧气会与继电器的电极表面发生反应。随着时间的推移，这种反应会形成一个高电阻层，限制设备的导电能力。但在低温下，氧气在空气中凝结，这个问题也就不存在了。

其次，微型继电器中的触点往往会粘连一起，表现为迟滞效应：继电器的开启电压与它的闭合电压略有不同。但由于低温下的附着力较弱，所以迟滞不到室温下的5%。“我们事先并没有想到这些器件在低温下会运行得这么好。”刘金智洁说，她的研究生胡晓尔（音）在IEDM上介绍了她领导的研究。“回想起来，我们应该想到的。”

单通量量子逻辑

几年前，位于纽约州埃尔姆斯福德的豪埔里圣（Hypres）公司已经实现了低温集成电路的商业化。为了将公司的快速单通量量子逻辑技术（RSFQ）推向量子计算领域，该公司最近分拆出一家名为Seeqc的初创公司。

在RSFQ及其量子版本SFQuClass逻辑中，量子化的电压脉冲被约瑟夫森结阻塞、传递或路由。当今大多数量子计算机芯片是由约瑟夫森结以及同类型超导器件构成的。

2014年，威斯康星大学麦迪逊分校的物理学家首次提出，这些脉冲可以用来进行量子位编程，自2016年以来，Seeqc公司的科学家一直在与他们以及雪城大学的科学家合作。Seeqc正在使用这项技术设计一个完整的系统：一款设计工作温度为3到4开尔文的数字控制、纠错和读出芯片，以及另一款设计工作温度为20毫开尔文的量子处理器接口芯片。

韦尔半金属

量子计算已经很奇怪了，但它可能需要某些更奇怪的技术来实现。瑞典隆德大学和苏黎世IBM研究所的科学家设计了一种称为韦尔（Weyl）半金属放大器的新装置，他们说这种装置可以使读出电子器件更靠近量子位。如果你不知道什么是韦尔半金属，不要担心，因为即便是那些试图用这些材料制造设备的科学家也没有完全理解。

他们所知道的是，这些材料（如二磷化钨）在冷却到50开尔文以下时表现出极强的温度依赖性磁阻。他们模拟的装置有一个栅极，可在韦尔半金属内部产生磁场，使它微小的电阻在几皮秒的时间内变得巨大。将一个量子位的输入连接到该装置上，可以制作高增益放大器，功耗仅40微瓦。这样低的功耗完全可以将放大器放置在靠近量子位的冰箱里。