谷歌发布第一代低温 CMOS 量子位控制器，功耗降低 1000 倍

构建出一台能够解决由于计算的复杂性、成本、能耗或解决方案等原因引起的“老大难”问题的量子计算机，是 Google AI 量子计算团队的长期目标。就目前的技术水平来说，第一代误差校正量子计算机将需要大约 100 万个物理量子位，这比我们的 72 位量子处理器 Bristlecone（狐尾松）中存在的量子位数多出四个数量级。增加容错量子计算机所需的物理量子位数，并同时保持对每个量子位的高质量控制是一个令人兴奋的技术挑战，除了简单地复制和粘贴当前的控制架构之外，我们还需要创新。

我们面临的一个关键挑战，就是通过将室温模拟控制电子设备重新定位到低温恒温器中的 3 开尔文档（kelvin，开尔文是温度计量单位），以减少每个量子位的输入 / 输出控制线的数量，同时保持高质量的量子位控制。

作为迈向解决这一挑战的一步，本周我们在旧金山举行的国际固态电路会议（http://isscc.org/）上展示了第一代低温 CMOS（互补金属氧化物半导体）单量子位控制器。采用商用 CMOS 技术制造，我们的控制器在 3 开尔文环境下工作，功耗低于 2 毫瓦，尺寸仅为 1 毫米×1.6 毫米。从功能上讲，它为单量子位门操作提供指令集，通过室温和 3 开尔文之间的数字线路提供量子位的模拟控制，与目前的室温控制电子设备相比，功耗降低约 1000 倍。

（谷歌的第一代低温 CMOS 单量子位控制器（右侧为中央部分放大）板，可以直接部署在我们的低温恒温器内。控制器尺寸为 1 毫米×1.6 毫米。)

如何控制 72 个量子位

在位于圣巴巴拉的实验室中，我们通过将千兆赫频率模拟控制信号应用于每个量子位来操作量子位状态，从而在 Bristlecone 上运行程序，纠缠量子位并测量计算结果。我们对这些控制信号的形状和频率的定义直接影响我们的计算质量。为了制作高质量的量子位控制信号，我们使用了为室温下在服务器机架中包装的智能手机而开发的技术。各个同轴电缆将这些信号传送到每个量子位，它们本身保存在冷却到 10 毫度的低温恒温器内。虽然这种方法对于一个需要 2 个控制线（每个量子位需要 144 个独特控制信号）的 Bristlecone 级量子处理器有意义，但我们还需要一个更加完整的方法，才能将我们的系统扩展到百万比特级别。

（研究科学家 Amit Vainsencher 检查 Google 旗舰低温恒温器中的 Bristlecone 接线。蓝色同轴电缆从定制模拟控制电子设备（右侧的服务器机架）连接到量子处理器。）

在我们当前的设置中，从室温连接到低温恒温器内的量子位的接线数量，以及低温恒温器的限定冷却功率是一个重要约束条件。缓解这种情况的一种方法是让数字模拟控制接近量子处理器。目前，我们的室温数字——模拟波形发生器用于控制单个量子位，每量子位消耗约 1 瓦的废热。我们的低温恒温器在 3 开尔文时的冷却功率为 0.1 瓦。这意味着，如果我们将 150 个波形发生器塞入低温恒温器（暂时不用担心冰箱内有限的物理空间），低温恒温器的冷却能力将降低 1500 倍，从而导致低温恒温器受损并使我们的量子位无用。因此，只在低温恒温器中安装现有的数模转换控制器无法让我们成功控制数百万级量子位。很明显，我们需要一个集成的低功耗量子位控制解决方案。

一个很酷的主意

我们与马萨诸塞大学教授 Joseph Bardin 合作，开始开发定制集成电路（IC），以便在低温恒温器内控制我们的量子位，最终减少与未来量子处理器之间的物理 I / O 连接。这些 IC 被设计用于在超冷环境中工作，特别是在 3 开尔文环境下，并将数字指令转换为用于量子位的模拟控制脉冲。我们的首要目标是设计一个低功耗的定制 IC，以防止低温恒温器升温。

我们设计的 IC 在 3 开尔文下耗散不超过 2 毫瓦，这很有挑战性，因为大多数物理 CMOS 模型的预设操作温度接近 300 开尔文。带着这个想法，我们设计、制造了具有低功耗设计约束的 IC，并验证了低温 CMOS 量子位控制器可以在室温下工作。然后，我们在 3 开尔文环境下将其安装在低温恒温器中，并将其连接到量子位（在相同的低温恒温器中 10 毫度环境下安装）。经过一系列实验，我们确定低温 CMOS 量子位控制器可以如预设一样工作，最重要的是，我们没有在低温恒温器内安装加热器。

（在稀释制冷机的 3 开尔文档安装低温 CMOS 量子位控制器并连接到量子位，并且并联标准量子位控制电子设备，以进行量子位控制和测量，作为现场检查实验。）

低温环境下的性能

我们的新量子控制硬件（包括 T1，拉比振荡 https://baike.baidu.com/item/%E6%8B%89%E6%AF%94%E6%8C%AF%E8%8D%A1 和单量子位门）的 baseline 测试显示，其与标准室温量子位控制电子设备相比性能相似：量子位相干时间几乎没有变化，并且观察到拉比振荡非常明显地改变了低温 CMOS 量子位控制器的脉冲幅度——驱动量子位的特征响应。

使用标准和低温量子控制器测量的量子位相干时间的比较。

使用低温控制器测量拉比震荡振幅。绿色和黑色分别代表在 1 和 0 状态下测量量子位的概率。

下一步

虽然这些结果看起来前途无量，但第一代低温 CMOS 量子位控制器只是向真正可扩展的量子位控制和测量系统迈出了一小步。例如，我们的控制器只能处理单个量子位，并且仍然需要多次连接到室温环境。此外，我们还需要定量单量子位门的错误率。同样地，我们也很高兴能够在减少控制量子位所需能量的同时，保持执行高质量量子位操作所需的精细控制

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