新的芯片架构为扩大超导量子位阵列带来了希望 – 物理世界

美国科学家推出了一种巧妙的新型量子芯片架构，可显着减少用于控制超导量子位（qubit）电路的信号引起的干扰。由...领着 刘传红 和 罗伯特麦克德莫特 威斯康星大学的 团队 表明，与使用相同控制系统的早期设计相比，新型多芯片模块 (MCM) 将门错误减少了近 10 倍，使其成为标准技术的有力竞争对手。

在研究人员正在探索的许多物理系统中，作为可扩展量子计算机的潜在“构建模块”，超导量子位因其高相干时间（衡量其保持在量子态的时间长短）和保真度（衡量量子状态的时间）而脱颖而出。其操作的无差错程度如何）。但尽管超导量子计算非常强大，但要释放其全部潜力将需要超过 1 万个物理量子位。这提出了一个挑战，因为超导量子位系统需要庞大的低温冷却器和复杂的微波控制设备来运行。

简化该控制装置的一种方法是使用最小的磁场单位（通量量子）而不是微波来控制量子位。众所周知，基于这种单通量量子 (SFQ) 数字逻辑技术的量子门使用一系列量化通量脉冲，其脉冲间定时根据量子位的振荡周期进行精确校准。该方法节能、紧凑且能够高速运行，使其成为集成到多量子位电路中的理想选择。

有毒的问题

问题在于，SFQ 电路必须靠近量子位放置，这不可避免地会导致脉冲生成过程中出现一种称为准粒子中毒的现象。这种准粒子中毒会在超导电路中引起不需要的弛豫、激发和中断，从而缩短量子位的寿命。

为了规避这一挑战，Liu 和同事采用了 MCM 架构。在此设置中，SFQ 驱动器和量子位电路驻留在单独的芯片上。这些芯片彼此堆叠，其间有 6.4 微米的间隙，并使用称为内凸点的互连方式粘合在一起。两个芯片之间的物理分离具有多个优点。它主要充当屏障，防止准粒子直接从 SFQ 驱动器消散到量子位。此外，它还可以防止另一个干扰源——声子，即原子或分子振动——穿过材料，因为凹凸内键对其传播提供了某种阻力。由于这种阻力，这些振动被有效地分散并防止到达量子位芯片。

数量级的改进

在使用片上设计的 SFQ 数字逻辑的初步试验中，平均量子位门误差为 9.1%。感谢 MCM，Liu 和 McDermott 的团队将这一数字降低至 1.2%，几乎提高了一个数量级。

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作为未来的目标，威斯康星州的研究人员及其在雪城大学、国家标准与技术研究所、科罗拉多大学和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的同事旨在进一步减少准粒子中毒的来源。通过尝试其他合适的设计并进一步优化 SFQ 脉冲序列，该团队表示，有可能将门错误降低至 0.1% 甚至 0.01%，从而使 SFQ 成为实现超导量子位可扩展性和解锁超导量子位的一条有希望的途径。容错量子计算机的指数计算能力。

研究发表在 PRX量子.

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/new-chip-architecture-offers-hope-for-scaling-up-superconducting-qubit-arrays/