技术团队们合作开发低温电路

富士通（Fujitsu）与 QuTech 合作开发了被称作 "世界首创"的低温电子电路，用于控制基于金刚石的量子比特。这项新技术在保持高质量性能的同时，解决了量子比特冷却过程中的 "线路瓶颈 "问题，使量子比特和控制电子元件都能在紧凑的低温冰箱中方便地运行，是实现更大规模量子计算机的一个重要里程碑。

QuTech 在今年二月举行的 "ISSCC 2024 国际固态器件电路会议（IEEE International Solid-State Circuits Conference 2024）"上展示了与富士通公司联合研究项目的成果。

背景介绍

量子比特利用的是极其脆弱的量子效应，这些效应会受到包括最小热量在内的各种影响的干扰。泄漏到量子计算机中的热量会立即破坏量子比特所保存的信息，使任何量子计算机变得不可靠和不可用。为了确保准确运行，量子比特需要冷却到尽可能低的温度，接近绝对零度开尔文（-273°C）。

控制量子比特的电子电路的精确运行是一个持续的挑战，而保持量子比特足够低温的传统方法需要一个小型低温冰箱，量子比特通过电线与冰箱外的电子设备相连。

然而，低温量子比特和室温电子线路之间的导线会严重影响量子计算机的可靠性、制造和尺寸。

为解决这一问题，富士通与QuTech（代尔夫特理工大学TU Delft与荷兰应用科学研究组织TNO的合作机构）的研究人员和工程师合作，利用QuTech在低温半导体集成电路（cryo-CMOS电路）技术方面的专业知识和对热干扰更强的金刚石自旋比特，开发出一种新技术，利用安装在低温冰箱中的cryo-CMOS电路成功驱动了金刚石自旋比特。这项新技术可以在与金刚石自旋比特相同的温度（4开尔文）下安装cryo-CMOS电路，从而简化布线并建造高性能的大规模集成量子计算机。

冷却电子设备的新技术

富士通与 QuTech 合作开发了一种新技术，可冷却整个量子计算机，而不仅仅是量子比特。利用cryo-CMOS 电路技术，富士通与 QuTech 共同设计出了在 4 开尔文条件下驱动金刚石自旋量子比特所需的磁场应用电路和微波驱动电路。通过在与量子比特相同的低温冰箱中驱动该磁场应用电路和微波驱动电路，富士通和 QuTech 成功产生了足以驱动金刚石自旋量子比特的磁场和微波。

这项新技术简化了布线，有朝一日可能有助于实现高性能、大规模集成量子计算机。

QuTech 首席研究员 Fabio Sebastiano 解释说："在设计电气系统时，性能和功耗之间总是存在平衡问题：其中一个性能的提高意味着另一个性能的降低。我们面临的挑战是既要获得高性能，又要不限制功耗。QuTech 首席研究员 Masoud Babaie 补充道："这一点至关重要，因为过高的功耗会使用于保持系统低温的低温冰箱过热。我们使用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。

富士通有限公司研究员、高级副总裁兼富士通研究所量子实验室主任Shintaro Sato博士解释说："控制电路和量子比特之间的布线是量子计算机升级过程中的一个常见问题。我们的联合研究成果凸显了用于钻石自旋量子比特的cryo-CMOS技术在克服这一瓶颈方面的潜力。我们预计，这项新技术将使我们能够在使用金刚石自旋量子比特的量子计算机中实现预期的高可扩展性"。

未来计划

新开发的技术实现了用于控制金刚石量子比特的低温电子电路，标志着向实现大规模量子计算机迈出了重要一步。今后，富士通和 QuTech 将进一步加强新开发的技术，包括从 1 量子位操作扩展到 2 量子位操作、实现量子位读出功能以及扩展到更大规模的量子处理器。

QuTech 是代尔夫特理工大学（TU Delft）和荷兰应用科学研究组织（TNO）以使命为导向的研究机构。他们共同研究具有改变世界潜力的全新技术。他们的使命是：基于量子力学的基本规律，开发可扩展的量子计算机原型和内在安全的量子互联网。

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审核编辑 黄宇