微软发布低温量子控制平台，可以控制数千个量子比特

当地时间1月27日，微软和悉尼大学研究团队发布了一款低温量子控制平台，可以控制数千个量子比特，微软称之为“相对于之前技术的一次飞跃”。

相关论文已于1月25日发表在学术期刊《自然-电子学》（Nature Electronics），题为“A cryogenic CMOS chip for generating control signals for multiple qubits”。

量子计算可能会应用于化学、密码学等众多领域。但在拥有潜在计算能力的同时，量子比特也有着致命弱点——极不稳定。量子态很容易受到环境的干扰，量子设备必须被安置在极端环境中，接近绝对零度的低温、与电噪声等外界干扰隔离。

因此，如果要同时控制数千个量子比特，光是把信息传输到单个量子比特上就是个大挑战，需要一条“信息高速公路”进入量子比特们所处的“冰箱”。

此前，类似的系统往往像“鸟巢”那样缠绕着大量的电线，只能适用于中等规模的量子计算机。

如果把量子控制平台也放进“冰箱”里呢？

微软和悉尼大学研究团队开发的低温量子控制平台使用专用CMOS电路接受数字输入并生成许多并行的量子比特控制信号。为低温量子控制平台中的芯片名为“醋栗”（Gooseberry，也称Cryo CMOS），它能够在100毫开尔文（mK）的低温下运行，也就是标准商用制冷机的额定温度下，而且能耗足够低，从而解决量子计算机中的一些输入输出难题。

研究团队还开发了一种通用的低温计算核心（cryo-compute core），能够进行通用计算。核心的工作温度约为2开尔文，比醋栗运行时的温度高20倍，可以通过浸入液氦实现。

在研究团队展示的量子堆栈图中，醋栗芯片所在的位置非常靠近量子比特，低温计算核心则位于经典计算层（Classical Compute）的底部，两者相互配合实现通信。

在他们的设计中，醋栗芯片的摆放位置格外重要，这主要与温度相关。当芯片和量子比特之间的导线很长时，制冷机内会产生大量热量。把芯片放在量子比特附近可以避免这个问题；但假如距离太近，芯片产生的热量有可能使量子比特升温。

与其他控制平台相比，醋栗芯片的独特之处在于，它和量子比特相邻且处于相同的温度下，能够将低温计算核心的经典指令转换为电压信号，再传递到量子比特。

研究团队采用的方法是，将醋栗芯片放入量子比特所在的制冷机，但与量子比特隔离；这样一来，芯片产生的热量会进入混合室（Mix chamber），远离量子比特。

这种设计可以解决一系列温度问题，但新问题随之产生：芯片需要与量子比特在相同的温度下运行，也就是100毫开尔文。在这个温度下操作标准的大块CMOS芯片是一个挑战。因此，研究团队在芯片设计中使用了绝缘体上硅技术，优化系统在低温下的表现。

研究团队称，这醋栗芯片和低温计算核心都是大规模量子计算机的关键进展，也是多年工作的结果。他们表示，除了量子计算机的基本构造之外，还有许多相关的概念有待开发。

“在实现有意义的量子计算机之前，还需要更多次飞跃。”