谷歌研发出一种超低功耗低温集成电路,有助于解决量子计算机的可扩展性问题

IEEE电气电子工程师学会 2019-03-18 21:36

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照片来源:谷歌

谷歌工程师Amit Vainsencher检查了公司的量子计算机系统。即使只连接了所需连接的一半,接入到72量子比特量子处理器的线缆也已是一大堆。

当今量子计算系统的一大限制因素是,超导量子比特须处于低于1开尔文的低温箱体中,但所有的控制和读出电路都必须处于室温下。对于现在低于100量子比特的系统来说,有足够的空间用于专用射频电缆进出箱体。但是要扩展到做真正酷的事情所需的百万量子比特系统的话,就没有足够的空间了。

所以,量子计算机工程师们想将一些电子电路放进低温冰箱。上个月在旧金山举行的IEEE国际固态电路会议IEEE International Solid-State Circuits Conference)上,谷歌马萨诸塞大学阿默斯特分校和加州大学圣巴巴拉分校的研究人员报告说,他们CMOS制造了一个关键控制电路,该电路可以在低温下工作。他们所介绍的这个电路量子比特编程所需的一种高性能、低功耗的脉冲调制器。这是CMOS低温量子控制IC与真实量子比特相互作用的第一个公开的实例。

马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校电子与计算机工程副教授Joseph Bardin说:“目前的方法暂时还可以,但它无法扩展到百万量子比特量级。”对于谷歌的72量子比特量子处理器来说,已经有168根同轴电缆进入冰箱并连接到10毫开尔文量子处理器。

Bardin研发的脉冲调制器IC 被用来编码一个量子比特上的量子态以执行一个程序。量子计算机获得并行能力,因为量子比特不必像传统计算机中的比特那样只能处于0或1的二进制状态。相反,它们可以是这些量子态一种混合。脉冲调制器使用一组特定的RF频率来产生这种混合

“最大的挑战是散热”Bardin解释道。量子比特处于10毫开尔文的低温下,但必然会放出热量的控制电路不能在那么低的温度下工作。研究人员的目标是让控制IC4开尔文的温度下工作。 “然而,在4 开尔文时,热力学限制了冷却效率。你最多只能得到1%的效率。实际情况更糟。” 因此,每量子比特所用的电子元件消耗的功率只能在毫瓦范围内。

Bardin说,功率限制必须与控制精度的需求相平衡。CMOS晶体管在4 开尔文(这比硅晶圆代工厂的仿真模型能够处理的温度低200时的表现是非常不同的这就使问题变得复杂了。

“晶体管对温度相当敏感。”Bardin说。当温度极低时,开关所需的电压改变,金属互连线失去电阻,曾经的半导体基片变成绝缘体,还有其他一些奇怪的现象。也许最重要的是,在低温下,当各个晶体管在低功率水平下工作时,它们的相对特性会发生剧烈变化。

Bardin和谷歌的研究团队设法以一种补偿这些问题并在功耗和性能之间取得平衡的方法来设计IC。由此产生的IC消耗不到2 毫瓦,但它通过了测试。量子计算领域的其他大型企业,如IBM和英特尔,可能在研发类似的系统,但他们还没有公布他们的低温IC。

还有两个其他控制元件尚未低温集成。一个是读出系统,另一个控制量子比特别的方面(并非脉冲调制器Bardin说,在表征脉冲调制器的性能并对脉冲调制器的性能进行优化方面还有大量工作要做。


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