改進量子計算機的三項冷冰冰的創新，把它們放入低溫冷凍庫可以讓量子計算機更強大、更緊湊

在量子計算的3個階段4-8 GHz LNA中，電線結合InP HEMT裝置的特寫照片。

大多數量子計算機，熱量是敵人。熱量會使量子計算機的量子位元產生誤差，從而破壞計算機正在進行的操作。所以量子計算機需要保持非常冷的溫度，只比絕對零度高一點點。

“但要操作計算機，你需要一些與非量子世界的介面，”imec的研究科學家Jan Cranickx說。今天，這意味著許多笨重的後端電子裝置可以在室溫下使用。為了製造出更好的量子計算機，科學家和工程師們正在尋求將更多的此類電子裝置放入稀釋冰箱中，而稀釋冰箱是存放量子位元本身的地方。

在12月的IEEE國際電子裝置會議(IEDM)上，來自6家以上公司和大學的研究人員提出了在低溫下執行電路的新方法。這裡有三個這樣的努力:

谷歌的低溫控制電路可以開始收縮量子計算機

谷歌的低溫cmos積體電路，可以控制一個量子位。

在谷歌，研究人員開發了一種用於控制量子位元的低溫積體電路，並將其與其他電子裝置連線起來。谷歌團隊實際上早在2019年就首次公佈了他們的研究成果，但他們正在繼續擴大這項技術的規模，著眼於建造更大的量子計算機。

Joseph Bardin是谷歌量子人工智慧的研究科學家，也是馬薩諸塞大學阿姆赫斯特分校的教授，他說，這種低溫cmos電路與室溫下的同類電路並沒有太大的不同。但是設計它並不是那麼簡單。現有的模擬和元件模型並不是專門為低溫操作而設計的。研究人員面臨的主要挑戰是如何使這些模型適應寒冷的溫度。

谷歌的裝置在冰箱內以4開爾文的溫度工作，只比50釐米外的量子位稍微熱一點。這可能會大幅縮小現在房間大小的電子產品貨架。巴爾丁稱，他們的低溫技術“最終還可以降低控制電子裝置的成本”。他說，當量子計算機達到100個或更多量子位時，有效地控制它們至關重要。

低溫低噪聲放大器使讀取量子位更容易

量子計算機的一個關鍵部分是讀取量子位的電子器件。這些量子位本身會發出微弱的射頻訊號。進入低噪聲放大器(LNA)，它可以增強這些訊號，使量子位更容易讀取。受益於低溫LNAs的不僅僅是量子計算機;射電望遠鏡和深空通訊網路也使用它們。

瑞典哥德堡查爾默斯理工大學的研究人員正在嘗試製造低溫lnas。他們的電路使用高電子遷移率電晶體(hemt)，這對快速開關和放大電流特別有用。查爾姆斯的研究人員使用了磷化銦(InP)製成的電晶體，這是製作LNAs的常見材料，但商業上使用的砷化鎵更常見。查爾默斯理工大學的教授簡·格拉恩指出，InP hemt是低溫下的理想材料，因為這種材料在低溫下比在室溫下更能導電電子。

研究人員對LNAs中的InP HEMTs進行修補已經有一段時間了，但查爾默斯的團隊正在推動他們的電路在較低的溫度下執行，並比以往使用更少的電力。他們的裝置工作溫度低至4開氏度，這一溫度使他們可以在家中使用量子計算機的稀釋冰箱。

imec的研究人員正在修剪這些電纜

量子計算機的任何影象都被拜占庭式電纜所控制。這些電纜將量子位和它們的控制電子連線起來，讀取量子位的狀態並反饋輸入。其中一些電纜可以透過射頻多路複用器(RF MUX)來消除，這是一種可以控制多個量子位之間訊號傳輸的電路。imec的研究人員開發了一種射頻MUX，可以連線冰箱中的量子位。

不像許多實驗低溫電路工作在4開爾文，imec的射頻MUX可以工作到米爾開爾文。Jan Cranickx說，要讓RF MUX在這樣的溫度下工作，就意味著進入一個研究人員和裝置物理學家沒有模型可做的世界。他將這種裝置的製造描述為一個“反覆試驗”的過程，即將元件冷卻到毫氏溫度，然後觀察它們的工作狀態。“這是一個完全未知的領域，”他說。“從來沒有人這麼做過。”

這個電路就在量子位的旁邊，在稀釋冰箱冰冷的心臟深處。在更遠的地方，研究人員可以連線其他裝置，如LNAs和其他控制電路。這種設定可以讓每個量子位元都不需要擁有自己複雜的讀出電路，也可以讓建造擁有更大數量的量子位元的複雜量子計算機變得更容易——甚至可能是數千個。