誠然，量子計算具有非常強大的計算能力，也可用于化學、密碼學等其他領域，但其自身存在固有缺陷。量子設備需要放置于接近絕對零度的環境中，還要阻斷電噪聲等外界干擾，因此穩定的環境至關重要。在近日發表于《自然 · 電子學》雜志上的一項研究中，微軟聯合悉尼大學開發了一個低溫量子控制平臺，可以同時控制數千個量子比特，可稱得上量子計算領域的一項突破。

量子計算對化學、密碼學等領域帶來極大影響。量子計算機的構造塊不只是 0 和 1，而是 0 和 1 的疊加。這些量子計算基礎單元叫做量子比特。將量子比特植入復雜設備并進行操作可以解決經典計算機無法處理的問題。

盡管量子比特帶來了強大的計算能力，然而它們也存在缺陷：不穩定性。量子態極易受環境干擾，研究人員必須努力保護它們。這就需要降低環境溫度使其逼近絕對零度，將它們與電噪聲等外界干擾阻斷。因此，有必要開發一個完整系統，來維護一個穩定的環境。然而，這還需要維持量子比特的通信。此前，此類系統只能處理有限數量的量子比特，無法適用于大規模量子計算機。

最近，來自微軟和悉尼大學的研究團隊開發了一個低溫量子控制平臺，利用專門的 CMOS 芯片接收數字輸入，并生成很多并行量子比特控制信號，從而實現對數千個量子比特的支持。支持該平臺的芯片叫做 Gooseberry，它在 100 毫開爾文 (mK) 的低溫下運行，而且能耗很低，從而解決量子計算機中的多個 I/O 問題。相關研究發表在 Nature 子刊《Nature Electronics》上，微軟也專門寫了一篇博客介紹這項研究。

博客地址：https://www.microsoft.com/en-us/research/blog/full-stack-ahead-pioneering-quantum-hardware-allows-for-controlling-up-to-thousands-of-qubits-at-cryogenic-temperatures/

該研究團隊還創建了一種通用的低溫計算核心，其運行溫度為 2 開爾文 (K)，可通過浸入液氦來實現。該溫度是 Gooseberry 運行溫度的 20 倍，制冷功率是 400 倍，因此該核心能夠執行通用計算。

Gooseberry 和該計算核心可以幫助管理大規模量子計算機中不同部件以及計算機與用戶之間的通信，是向每個量子比特收發信息的復雜「神經系統」的核心元素，同時維持穩定的低溫環境，這對于具備成千上萬量子比特的大規模商業系統而言是很大的挑戰。

該研究團隊負責人、悉尼大學教授 David Reilly。

概覽：拓撲量子計算和量子堆棧

衡量量子計算設備時往往會統計它們包含多少個量子比特。但是，并非所有量子比特都是相同的，因此相應的計數往往無法精準地實現。微軟量子團隊的研究者正率先開發拓撲量子比特，它們在硬件層面內置了高級別的誤差保護，由此減少了軟件層面誤差糾錯所需的開銷，并能夠使用更少的物理量子比特完成更有意義的計算。

圖 1：量子堆棧圖。

這是微軟提出方法的獨特特征之一，但并不是唯一一個。在量子堆棧中，量子比特構成基底（base）。如上圖 1 所示，量子平面（quantum plane）是由一系列拓撲量子比特（它們自身由半導體、超導體和電介質組成）、門、接線以及其他有助于處理原始量子比特信息的封裝包組成。

至關重要的通信過程位于堆棧的中間層（圖 1 中的「Quantum-Classical Interface」）。Gooseberry 芯片和低溫計算（cryo-compute ）核心協同工作完成通信。其中，低溫計算核心位于 Classical Compute 底部。而與其他控制平臺相比，Gooseberry 的獨特之處在于：它與量子比特一起處于與量子平面相同的溫度下，能夠將低溫計算核心的經典指令轉化為發送至量子比特的電壓信號。

保持低溫：在基于 CMOS 的控制平臺上實現散熱

Gooseberry 芯片的放置位置為什么如此重要呢？部分原因在于熱量。當連接控制芯片與量子比特的接線很長時（如果控制芯片處于室溫條件下，則接線必然如此），冰箱（fridge）內部就會產生大量的熱量。將控制芯片放置于量子比特附近可以避免出現此問題。現在的折衷方案也是芯片靠近量子比特，并且芯片生成的熱量可能會使量子比特升溫。

Gooseberry 通過將控制芯片放置在靠近量子比特的位置（又不太近）來控制競爭效應。將 Gooseberry 放置于冰箱中并且與量子比特熱隔離，則芯片產生的熱量從量子比特中被吸走并進入混合室（mixing chamber）中。

具體如下圖 2 所示：

圖 2：左：Gooseberry（Cryo-CMOS）芯片的熱傳導模型原理圖示；右：Gooseberry 芯片（紅色）靠近量子比特測試芯片（藍）和共振器芯片（紫色）。

芯片靠近量子比特解決了溫度問題，但同時也產生了其他問題。若要在量子比特所在位置操作芯片，則需要在與量子比特相同的溫度（100 mK）下工作。在此溫度下操作標準塊狀 CMOS 芯片具有挑戰性，因此 Gooseberry 芯片采用了全耗盡絕緣體硅片（fully-depleted silicon-on-insulator, FDSOI）技術，優化系統在低溫下的操作性能。

此外，Gooseberry 芯片具有背柵偏置（back-gate bias），其中晶體管的第四終端可用于補償溫度變化。晶體管和門的系統允許對量子比特進行單獨地校準，晶體管為每個量子比特發送單獨的電壓。

大量的門：不需要從室溫到每個量子比特的單獨控制線

Gooseberry 芯片的另一個優點是，在設計時，控制量子比特的電子門通過單個電壓電源充電。同時，該電壓電源以「循環」的方式周期性地通過門，并在必要時充電。

如下圖 3 所示，Gooseberry 芯片由數字和模擬塊組成。耦合的數字邏輯電路通過一個有限狀態機（finite-state machine, FSM）執行芯片的通信、波形存儲和自動化操作，同時芯片的數字部分也包含一個主控振蕩器（master oscillator）。

該芯片還使用串行外設接口（Serial Peripheral Interface, SPI），以在高于量子堆棧的位置實現便捷通信。芯片的模擬組件是一系列的單元，它們被稱為「charge-lock fast-gate, CLFG」單元。

cryo-CMOS 控制與量子點芯片的基準結果

研究者測試了 Gooseberry 芯片，查看將其與基于 GaAs 的量子點 (QD) 設備連接后的性能。在室溫下，將量子點設備中的一些門與數模轉換器 (DAC) 連接，對比其與標準控制方法的結果。CLFG 單元的功率泄露可以通過設備中的第二個量子點來衡量，對量子點電導率的度量提供了一種監測 charge-locking 過程的方式。該芯片中所有組件的溫度都在控制芯片充電后測量，這表明在必要的頻率或時鐘速度范圍內，溫度能夠保持在 100 mK 以下（參見下圖 4）。

根據這些結果，研究者估計，Gooseberry 控制芯片所需的總系統功率是頻率和輸出門數量的函數。這些結果考慮了拓撲量子比特所需的時鐘速度和溫度。下圖 5 展示了 Gooseberry 芯片能夠在可接受的限制下運行，同時滿足數千量子比特的通信。這一基于 CMOS 的方法還可用于基于電子自旋或 gatemon 的量子比特平臺。