原创 IQM：新的超低温微波源可促进量子计算机大规模应用

在《自然·电子学》(Nature Electronics)发表的一篇新论文中，芬兰的研究人员开发了一种电路，可在接近绝对零度的超低温度下产生控制量子计算机所需的高质量微波信号。这是让控制系统更接近量子处理器的关键一步，有望大幅增加处理器中的量子位数。 

导致量子计算机体积过大的一大因素是用于控制量子处理器量子位的机制。该机制通常通过一系列微波脉冲来实现。由于量子处理器在接近绝对零度的温度下工作，控制脉冲一般通过宽带电缆从室温进入超低温环境。 

随着量子位数的增加，所需电缆数量也会增加。这种实现方式限制了量子处理器的规模提升，因为用于冷却量子位的冰冻室必须不断扩大，以容纳越来越多的电缆，同时这些电缆的降温工作也带来了更加沉重的负担，最终证明这种方案不可行。 

一个由阿尔托大学(Aalto University)、芬兰VTT技术研究中心和IQM Quantum Computers等机构组成的研究联盟现已经开发出解决这一难题的关键组件。团队负责人Mikko Möttönen教授表示：“我们已经构建出精确的微波源，可在与量子处理器相同的超低温度下工作，即大约零下273度。”Möttönen就职于阿尔托大学和芬兰VTT技术研究中心，也是IQM联合创始人和首席科学家。 

新的微波源是一种可以与量子处理器集成在一起的片上设备。该设备尺寸不到一毫米，有可能消除对连接不同温度环境的高频控制电缆的需求。这种低温低功耗微波源让使用更小的低温恒温器成为可能，同时还能增加处理器中量子位的数量。 

Möttönen表示：“我们的设备产生的功率是之前设备的100倍以上，足以控制量子位并进行量子逻辑运算。新设备能够生成精确度极高的正弦波，每秒振荡超过10亿次。因此，因微波源而产生的量子位错误极少，这种特性对于实现精确的量子逻辑运算非常重要。” 

不过，连续波微波源，比如由上述设备产生的微波源，无法直接用来控制量子位。这些微波必须首先被整形为脉冲。该团队目前正在开发快速开启和关闭微波源的方法。 

即使没有合适的开关解决方案来产生脉冲，高效、低噪、低温的微波源也可用于一系列量子技术，例如量子传感器。 

Möttönen解释道：“除量子计算机和量子传感器之外，微波源还可用作其他电子设备的时钟，让不同的设备保持相同的节奏，使它们能够在需要的时刻对几个不同的量子位进行操作。” 

理论分析和初始设计工作由VTT的Juha Hassel和其同事完成。Hassel在VTT启动了此项工作，他目前是IQM Quantum Computers的工程与开发主管，该公司是泛欧地区量子计算机技术的领导者。相关设备随后在VTT建造，并由阿尔托大学的博士后研究人员严承宇及其同事使用OtaNano研究基础设施进行操作。严承宇现为华中科技大学副教授。参与这项研究的团队隶属于芬兰科学院量子技术卓越中心(QTF)和芬兰量子研究所(InstituteQ)。 

原创研究论文

Chengyu Yan, Juha Hassel, Visa Vesterinen, Jinli Zhang, Joni Ikonen, Leif Grönberg, Jan Goetz and Mikko Möttönen, A low-noise on-chip coherent microwave source, Nature Electronics, DOI:10.1038/s41928-021-00680-z (2021) 

https://doi.org/10.1038/s41928-021-00680-z（链接将在保密期过后开放） 

可随时下载论文预印本：https://arxiv.org/pdf/2103.07617