低溫芯片、微型繼電器及其他技術(shù)可幫助量子計算機擴大規(guī)模

當(dāng)研究人員努力擴大量子計算機的容量時，他們遇到了許多過完重大節(jié)日的人都會面臨的一個問題：冰箱里沒有足夠的空間了。

今天的量子計算機處理器必須在接近絕對零度的低溫環(huán)境中工作，但用于讀出和控制的電子元件卻無法在這種溫度下工作。所以這些電路必須放置在冰箱外面。對于如今不到100量子位的系統(tǒng)來說，尚有足夠的空間專用于連接電纜，但對于未來的百萬量子位系統(tǒng)來說，空間則是不夠的。這樣的系統(tǒng)將需要可在冰箱內(nèi)運行的超低功耗控制芯片。

在2019年12月于舊金山召開的IEEE國際電子器件會議（IEDM）上，工程師們公布了一些潛在的解決方案，既有我們熟悉的，也有非常奇特的。

低溫CMOS

改善互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)也許是實現(xiàn)量子計算機低溫控制的最直接方法。不出所料，英特爾采取了這個方案。該公司推出了一款名為Horse Ridge的低溫CMOS芯片，將量子計算機的指令轉(zhuǎn)換為基本的量子位操作，并通過微波信號傳送給處理器。Horse Ridge的設(shè)計工作溫度為4開爾文，比量子位芯片本身的溫度略高，但也已經(jīng)足夠低了，可以和量子位芯片一起放在冰箱里。英特爾公司利用其22納米鰭式場效應(yīng)晶體管（FinFET）制造工藝制造了這款芯片，但構(gòu)成控制電路的晶體管需要大量的重新設(shè)計。

“如果你拿一個晶體管，冷卻到4開爾文，它是否能工作是未知的。”英特爾量子硬件部門主管吉姆?克拉克（Jim Clarke）說，“器件的許多基本特性都與溫度有關(guān)。”其他一些公司也在按照同樣的思路工作。2019年初，谷歌推出了一款低溫CMOS控制電路。微軟及其合作者也進行了相關(guān)研究（在截至發(fā)稿時還在研究之中，尚未經(jīng)過同行評議）并表示，他們已經(jīng)制造出一款可集成10萬晶體管的CMOS控制芯片，工作溫度為100毫開爾文。

微型繼電器

在邏輯電路中，晶體管可作為開關(guān)，但它并不是唯一可作為開關(guān)的器件。加州大學(xué)伯克利分校劉金智潔（Tsu-Jae King Liu）實驗室的工程師們開發(fā)出了微米級機電繼電器，作為超低功耗元件替代晶體管。他們驚奇地發(fā)現(xiàn)，他們的器件在4開爾文的溫度下要比在室溫下運行得更好。在室溫下，器件會受一些機械特性影響。首先，環(huán)境中的氧氣會與繼電器的電極表面發(fā)生反應(yīng)。隨著時間的推移，這種反應(yīng)會形成一個高電阻層，限制設(shè)備的導(dǎo)電能力。但在低溫下，氧氣在空氣中凝結(jié)，這個問題也就不存在了。

其次，微型繼電器中的觸點往往會粘連一起，表現(xiàn)為遲滯效應(yīng)：繼電器的開啟電壓與它的閉合電壓略有不同。但由于低溫下的附著力較弱，所以遲滯不到室溫下的5%。“我們事先并沒有想到這些器件在低溫下會運行得這么好。”劉金智潔說，她的研究生胡曉爾（音）在IEDM上介紹了她領(lǐng)導(dǎo)的研究。“回想起來，我們應(yīng)該想到的。”

單通量量子邏輯

幾年前，位于紐約州埃爾姆斯福德的豪埔里圣（Hypres）公司已經(jīng)實現(xiàn)了低溫集成電路的商業(yè)化。為了將公司的快速單通量量子邏輯技術(shù)（RSFQ）推向量子計算領(lǐng)域，該公司最近分拆出一家名為Seeqc的初創(chuàng)公司。

在RSFQ及其量子版本SFQuClass邏輯中，量子化的電壓脈沖被約瑟夫森結(jié)阻塞、傳遞或路由。當(dāng)今大多數(shù)量子計算機芯片是由約瑟夫森結(jié)以及同類型超導(dǎo)器件構(gòu)成的。

2014年，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的物理學(xué)家首次提出，這些脈沖可以用來進行量子位編程，自2016年以來，Seeqc公司的科學(xué)家一直在與他們以及雪城大學(xué)的科學(xué)家合作。Seeqc正在使用這項技術(shù)設(shè)計一個完整的系統(tǒng)：一款設(shè)計工作溫度為3到4開爾文的數(shù)字控制、糾錯和讀出芯片，以及另一款設(shè)計工作溫度為20毫開爾文的量子處理器接口芯片。

韋爾半金屬

量子計算已經(jīng)很奇怪了，但它可能需要某些更奇怪的技術(shù)來實現(xiàn)。瑞典隆德大學(xué)和蘇黎世IBM研究所的科學(xué)家設(shè)計了一種稱為韋爾（Weyl）半金屬放大器的新裝置，他們說這種裝置可以使讀出電子器件更靠近量子位。如果你不知道什么是韋爾半金屬，不要擔(dān)心，因為即便是那些試圖用這些材料制造設(shè)備的科學(xué)家也沒有完全理解。

他們所知道的是，這些材料（如二磷化鎢）在冷卻到50開爾文以下時表現(xiàn)出極強的溫度依賴性磁阻。他們模擬的裝置有一個柵極，可在韋爾半金屬內(nèi)部產(chǎn)生磁場，使它微小的電阻在幾皮秒的時間內(nèi)變得巨大。將一個量子位的輸入連接到該裝置上，可以制作高增益放大器，功耗僅40微瓦。這樣低的功耗完全可以將放大器放置在靠近量子位的冰箱里。