冷却技术应用于小型化量子计算机

李垚

量子计算目前面临诸多挑战，其中一个是超导量子比特仅在接近绝对零度的温度下才能真正工作，谷歌和IBM 在研发量子计算时都需要体积庞大的控制和冷却系统，一些管子的直径比人腰围还粗，还需要数百根电线连接到外部微波发射器上。

英特尔的horse  ridge低温控制芯片

2019年底英特尔研究院发布了代号为“Horse Ridge”的首款低温控制芯片，以加快全栈量子计算系统的开发步伐。英特尔方面称，Horse Ridge是高度集成的混合信号系统芯片，它将量子位控制引入量子冰箱中，以尽可能靠近量子位本身。Horse Ridge降低了量子控制工程的复杂性，从进出冰箱的数百根电缆简化到在量子设备附近运行的单个一体化套件。

英特尔量子硬件主管吉姆·克拉克表示：“尽管人们非常重视量子比特本身，但同时控制多个量子比特的能力一直是业界挑战。量子控制是我们开发大规模商用量子计算系统急需解决的难题之一，这就是为什么我们要投资量子误差校正和控制。”

长期以来，在实现量子计算机功能、激发其潜力的竞赛中，研究人员更关注量子比特的制造，构建了测试芯片，以证明少数叠加态量子比特强大的能力。但是在量子硬件开发中——包括对硅自旋量子比特和超导量子比特系统的设计、测试和表征——认定了阻止量子计算商业规模化的主要瓶颈：互连（interconnect）和控制（control electronics）。

研究人员一直致力于构建小型量子系统，以证明量子设备的潜力。在绝大多数情况下，量子系统被放在一个低温制冷系统内（类似于冰箱），人们使用电子元件和高性能大型计算设备将它们和传统计算设备相连，并通过后者调节量子系统和量子比特的性能。

这些设备通常是定制设计的，以控制单个量子比特，需要数百根连接线才能跨越 “冰箱” 控制量子处理器。验证量子系统的实用性需要成千上万个量子比特，而商用量子解决方案甚至需要数百万个量子比特，如果每个量子比特都需要这么多的连接线，系统的拓展性就受到了严重的阻碍。

借助 Horse Ridge，英特尔简化了运行量子系统所需的电子控制设备，用高度集成的片上系统（SoC）替换笨重的仪器，简化整体系统设计的同时，允许使用复杂的信号处理技术加快设置时间，改善量子比特性能以及更高效地扩展到更多的量子比特。除了具备22纳米工艺，英特尔并未透露更多技术细节。

Horse Ridge 控制芯片以俄勒冈州最冷的地区命名，寓意它支持在约 4 开尔文的极低温度下工作。但即使如此，这个温度还是高于超导量子比特系统所需的温度，大大降低了冷却量子系统的难度。

新型电子冷却技术正在成形

谷歌使用的稀释制冷机

作为英特尔的竞争对手，谷歌和 IBM 也专注于超导量子比特的研究，由此驱动的量子计算系统需要在毫开尔文区间内运行，仅比绝对零度高一点点。未来随着研究的继续，这些企业希望让低溫控制芯片和硅自旋量子比特处于相同的温度下运行，这样或许可以解锁更高级的封装和互连技术，创造新的解决方案，比如将量子比特和控制系统集成在一个简化的封装中。

现在就称 Horse Ridge 是颠覆性成果、是超越谷歌和 IBM 的 “撒手锏” 仍然为时尚早，比如芬兰VTT技术研究中心的研究人员开发了一种新的纯电气制冷方法，该方法通过结点之类的相同点有效地进行冷却和隔热。在实验中，研究人员将硅片悬吊在这种结点上，并通过一个结点将电流从一个结点输送到另一个结点，从而对物体进行制冷，电流使硅物体的热力学温度与周围环境相比降低了40%。此发现可用于将来的量子计算机的小型化，因为它可以显著简化所需的冷却基础结构，该发现已于2020年4月10日发表在《科学进展》上。

当下的超导量子计算机由稀释冰箱冷却，这种冰箱的运行是基于泵推送不同同位素的氦气的混合物，尽管现代稀释冰箱是商业技术，但它们仍然是昂贵的大型科学仪器。VTT研究人员开发的这种电子冷却技术却可以替代最复杂的零件，新方法也引起了商业界的兴趣，冷却效果被证明可用于主动冷却硅芯片，大型冰箱中的量子电路。