【產(chǎn)通社，12月12日訊】由于極低溫度和脆弱的量子態(tài)，量子計(jì)算機(jī)核心對(duì)外圍電子設(shè)備的要求極其苛刻。到目前為止，量子計(jì)算公司不得不自己獨(dú)立解決這些挑戰(zhàn)，但隨著該領(lǐng)域的成熟，一個(gè)新興的量子組件行業(yè)正在興起，專業(yè)提供現(xiàn)成的解決方案和配套服務(wù)。
超導(dǎo)和硅自旋量子比特——兩種最流行的量子計(jì)算技術(shù)——都需要極低的溫度來防止熱噪聲干擾它們的計(jì)算。這意味著，它們必須保存在能夠冷卻到約20毫開爾文（-273.13°C）溫度的特殊稀釋冰箱中。
這些冰箱在如此低的溫度下空間有限，冷卻能力也非常有限。冷卻功率是衡量設(shè)備在一定時(shí)間內(nèi)可以去除多少熱量的指標(biāo)，隨著溫度接近絕對(duì)零度，冷卻功率呈指數(shù)下降。傳統(tǒng)的控制電子設(shè)備散熱太多，無法集成在這些冰箱內(nèi)。因此，量子計(jì)算機(jī)通常依賴笨重的電纜，將量子位連接到外部硬件機(jī)架，但這些電纜也會(huì)將大量熱量引入冰箱。
這是對(duì)空間和冷卻預(yù)算的低效使用，并嚴(yán)重限制了每個(gè)冰箱中可以壓縮的量子位數(shù)量。不過現(xiàn)在，初創(chuàng)公司正在開發(fā)專門為這些具有挑戰(zhàn)性的低溫環(huán)境設(shè)計(jì)的電子產(chǎn)品、放大器和電纜。芬蘭初創(chuàng)公司SemiQon的首席科學(xué)官Janne Lehtinen表示，這可能會(huì)使量子比特和電子產(chǎn)品的集成更加緊密，從而顯著提高每個(gè)冰箱內(nèi)可以壓縮的計(jì)算能力。
他說，這個(gè)由專業(yè)組件供應(yīng)商組成的生態(tài)系統(tǒng)正在迅速崛起，反映了經(jīng)典計(jì)算早期的發(fā)展。Lehtinen說：“起初，少數(shù)研究人員需要什么都做，但當(dāng)行業(yè)開始加速時(shí)，就形成了許多專業(yè)領(lǐng)域。你不必在所有方面都做到最好，但卻可以從市場上獲得最好的東西。現(xiàn)在，這也開始在量子領(lǐng)域發(fā)生。”

零度以下運(yùn)行的CMOS

SemiQon開發(fā)了一種針對(duì)低溫進(jìn)行優(yōu)化的新型CMOS晶體管，可以控制電子設(shè)備在稀釋冰箱的最冷部分運(yùn)行。通過優(yōu)化用于構(gòu)建晶體管的設(shè)計(jì)和材料，他們設(shè)法大幅降低了開關(guān)閾值，使其能夠在極低的電壓下工作。這意味著它們幾乎不散熱，能夠在低至20mK的溫度下工作，而不會(huì)耗盡冰箱的冷卻預(yù)算。
Lehtinen說，這可能會(huì)打開與量子位一起工作的電子控制設(shè)備的大門，大大減少它們的物理足跡，并在每個(gè)設(shè)備中壓縮更多的量子位。目前，該公司可以用幾千個(gè)晶體管構(gòu)建電路，這已經(jīng)足夠制造多路復(fù)用器和開關(guān)等有用組件。預(yù)計(jì)兩年內(nèi)，他們將生產(chǎn)出一種低溫微控制器，能夠控制大約100個(gè)量子比特的量子處理器。

降低噪聲的放大器

許多量子計(jì)算機(jī)架構(gòu)中的另一個(gè)關(guān)鍵支持組件是信號(hào)放大器，它也是可能的主要熱源。量子比特的輸出信號(hào)極其微弱，需要被大幅的放大，然后才能被傳統(tǒng)電子設(shè)備處理。加拿大初創(chuàng)公司Qubic Technologies的首席執(zhí)行官Jérme Bourassa表示，用于增強(qiáng)這些信號(hào)的放大器會(huì)產(chǎn)生大量熱量，這些熱量會(huì)消耗50%的冰箱冷卻預(yù)算。Qubic正在開發(fā)一種新型超導(dǎo)放大器。
稀釋冰箱分為不同溫度下運(yùn)行的幾個(gè)階段，從室溫到幾毫開爾文。Bourassa說，在最冷階段，基于約瑟夫森結(jié)（Josephson junction）的超導(dǎo)放大器通常用于增強(qiáng)信號(hào)，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生的熱量很少。但它們并沒有提供足夠的推動(dòng)力來將信號(hào)從冰箱中取出。這需要第二組更強(qiáng)大的半導(dǎo)體放大器，但會(huì)產(chǎn)生數(shù)十毫瓦的熱量，因此需要安裝在4開爾文級(jí)，在那里仍然有很大的冷卻能力。
然而，隨著量子比特?cái)?shù)的增加，所需放大器的數(shù)量也會(huì)同步增加�！霸谀承⿻r(shí)候，你會(huì)達(dá)到一個(gè)臨界點(diǎn)，你沒有足夠的冷卻能力來去除放大器的熱量，”Bourassa說。“所以現(xiàn)在只能在冰箱里使用有限數(shù)量的量子位。”
Qubic創(chuàng)造了一種新型超導(dǎo)放大器，它不依賴于約瑟夫森結(jié)，而是使用由專有鈮合金制成的波導(dǎo)。Bourassa說，該設(shè)計(jì)能夠?qū)⑿盘?hào)增強(qiáng)到與傳統(tǒng)半導(dǎo)體放大器相同的程度，但由于是超導(dǎo)的，它將散熱量減少了10000倍。
這些放大器可以在毫開爾文溫度下工作，而現(xiàn)有設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生太多的噪聲，無法在量子比特附近工作。Bourassa說，他的目標(biāo)是使用超導(dǎo)放大器作為半導(dǎo)體放大器的直接替代品，目前半導(dǎo)體放大器占據(jù)了冰箱的大部分冷卻預(yù)算。這些新設(shè)備將于2026年上市，該公司已經(jīng)與領(lǐng)先量子計(jì)算機(jī)開發(fā)商合作。

靈活的布線解決方案

目前限制單個(gè)稀釋冰箱中量子比特?cái)?shù)量的下一個(gè)罪魁禍?zhǔn)资遣季�。荷蘭初創(chuàng)公司Delft Circuits的首席產(chǎn)品官Daan Kuitenbrouwer表示，目前大多數(shù)量子計(jì)算機(jī)依賴于笨重的同軸電纜，其核心帶有一根相對(duì)較粗的金屬線。金屬線將熱量傳導(dǎo)到了系統(tǒng)中，還必須定期中斷，以便與信號(hào)濾波器等其他組件連接，并將電纜部分冷卻到每個(gè)階段的正確溫度。
Kuitenbrouwer說，這可能需要多達(dá)20個(gè)互連，每個(gè)互連都可能是潛在的故障點(diǎn)。“如果你冷卻一個(gè)系統(tǒng)，不同的材料會(huì)有不同的熱收縮，所以它們會(huì)以不同的方式收縮。如果你經(jīng)常這樣做，它就會(huì)在某個(gè)時(shí)候磨損和破裂�！�
因此，Delft開發(fā)了一種更緊湊的超導(dǎo)柔性電纜，減少了所需的連接數(shù)量，并顯著減少了進(jìn)入冰箱的熱傳輸。該設(shè)備看起來類似于柔性印刷電路板條，具有八條相鄰的電線。在4K以上階段，導(dǎo)線由銀制成，在4K以下階段，它們由鈮鈦超導(dǎo)體制成。
Kuitenbrouwer說，這些電線比同軸電纜中的電線薄得多，它們向系統(tǒng)傳導(dǎo)的熱量很小，這也意味著它們可以通過在每個(gè)溫度階段簡單地夾在兩個(gè)金屬部件之間來冷卻，信號(hào)濾波器等組件也直接集成到電纜中。這意味著，新型電纜只需要兩個(gè)連接器——一個(gè)在冰箱頂部，另一個(gè)在從銀到鈮鈦的過渡處。

未來的量子主板

未來，Delft計(jì)劃使用相同的技術(shù)來制造Kuitenbrouwer所說的“量子主板”——一種注入連接線的2D板，可以在低溫下集成各種組件。該公司預(yù)計(jì)，未來的量子計(jì)算機(jī)將采用小芯片架構(gòu)，將多個(gè)較小的量子處理單元和低溫控制電子元件集成在同一芯片上。
不過，將所有這些新興組件創(chuàng)新結(jié)合在一起，需要節(jié)省空間和冷卻預(yù)算。對(duì)于Qubic的Bourassa來說，這是量子產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)其雄心壯志所需規(guī)模的唯一途徑。他說：“有能力去除熱量，有能力使系統(tǒng)更加緊湊，這絕對(duì)是通往未來的可行道路，無論是電力方面還是經(jīng)濟(jì)上�！�

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