量子计算为解决以前无法解决的问题提供了解决方案的希望，但是为了兑现这一承诺，必须保留和处理包含在最微妙的资源中的信息：高度纠缠的量子态。使这一挑战变得如此棘手的一件事是，必须在极端环境中使用量子设备以保存量子信息，但是必须将信号发送到每个量子位以操纵该信息，本质上，这需要一条信息高速公路极端的环境。而且，这两个问题都必须以远远超过当今量子器件技术的规模来解决。
微软的戴维·赖利(David Reilly)领导着微软和悉尼大学研究人员组成的团队，为后一个问题开发了一种新颖的方法。他们没有使用室温电子设备来产生电压脉冲来控制基本温度比星际空间低20倍的专用冰箱中的量子位，而是发明了一种称为“醋栗”的控制芯片，该芯片位于量子设备旁边。并在冰箱底部盛行的极端条件下运行。他们还开发了一种通用的低温计算核，该核可在比星际空间略高的温度下运行，这可以通过浸入液态氦中来实现。该内核执行确定发送到Gooseberry的指令所需的经典计算，然后反过来，将电压脉冲馈送到量子位。这些新颖的经典计算技术解决了与控制数千个量子位相关的I / O噩梦。
量子计算可能会改变游戏规则，从而影响化学，密码学以及更多领域。量子计算机的组成部分不仅是零和一，而且是零和一的叠加。量子计算的这些基本单位称为量子位(qubit)(量子位的缩写)。将qubits组合到复杂的设备中并对其进行操作可以为解决方案打开一扇门，即使对于功能最强大的经典计算机而言，这些解决方案也要终身使用。
尽管量子位具有无与伦比的潜在计算能力，但是它们却具有致命弱点：极大的不稳定。由于量子态很容易受到环境的干扰，因此研究人员必须竭尽全力保护它们。这包括将它们冷却到几乎绝对零温度，并将它们与外界干扰(例如电噪声)隔离开。因此，有必要开发一个由许多组件组成的完整系统，并保持一个稳定的受控环境。但是所有这些必须在与量子位进行通信的同时完成。直到现在，这仍然需要像鸟巢一样的电缆缠结，它可以用于有限数量的量子位(甚至可能在“中间规模”下)，但不适用于大规模量子计算机。
微软Quantum研究人员一直在玩长期游戏，它采用一种整体方法来瞄准具有实际影响的应用所需的更大规模的量子计算机。达到这个更大的目标需要时间，深思熟虑和对未来的承诺。在这种情况下，控制大量量子位的挑战迫在眉睫，尽管未来具有数千个量子位的量子计算设备仍然需要很多年。
进入以David Reilly博士为首的Microsoft和悉尼大学研究人员团队，他们开发了一种低温量子控制平台，该平台使用专用的CMOS电路来获取数字输入并生成许多并行的量子位控制信号-从而可以成千上万的规模支持量子位-比以前的技术领先。为该平台提供动力的芯片称为Gooseberry，通过以100毫开尔文(mK)的功率运行，同时耗散足够低的功率，从而解决了量子计算机中I / O的多个问题，从而使其功率不超过标准商用冰箱的冷却功率。这些温度。这回避了将成千上万的电线插入冰箱的原本难以克服的挑战。
他们的工作在本月发表于《自然》上的一篇论文中进行了详细介绍，该论文名为“用于控制许多量子位的低温接口”。他们还扩大了这项研究的范围，以创造出同类首个通用型冷冻计算核，比量子堆叠高了一步。它的工作温度约为2开尔文(K)，将其浸入液态氦中即可达到该温度。尽管仍然很冷，但它比醋栗运行时的温度高20倍，因此可提供400倍的冷却功率。由于耗散了400倍的热量，因此该内核能够进行通用计算。两种具有远见的硬件都是迈向大规模量子计算机过程的关键性进展，并且是多年工作的结果。
两种芯片均有助于管理大型量子计算机不同部分之间以及计算机与其用户之间的通信。它们是各种复杂的“神经系统”的关键元素，可以在每个量子位之间收发信息，但是要保持稳定的寒冷环境，这对于拥有数十个大型商业系统的大型商业系统是一个巨大的挑战数以千计的量子比特或更多。微软团队已经克服了许多障碍来实现这一壮举。
大图：拓扑量子计算和量子堆栈
量子计算设备通常通过它们包含多少个量子位来测量。但是，并不是所有的量子位都是相等的，因此这些量子位计数通常是苹果到橙色的比较。Microsoft Quantum研究人员正率先开发拓扑qubit，这些拓扑qubit在硬件级别内置了高级别的错误保护。这减少了软件级纠错所需的开销，并可以用更少的物理量子位完成有意义的计算。
尽管这是Microsoft方法的独特功能之一，但它并不是唯一的功能。在量子堆栈中，量子位构成其基础。量子平面(图1的底部)由一系列拓扑量子位(它们由半导体，超导体和电介质组成)，栅极，布线以及其他有助于处理来自原始量子位的信息的封装组成。沟通的重要过程发生在堆栈的下一层(图1中标记为“量子经典接口”)。Gooseberry芯片和低温计算核心协同工作以完成此通信。后者位于堆栈“ Classical Compute”部分的底部，
发挥凉爽：在基于CMOS的控制平台中散热
醋栗芯片放在哪里为什么很重要?部分原因是热。当将控制芯片连接到量子位的导线很长时(如果控制芯片处于室温下则必须如此)，冰箱内部会产生大量热量。将控制芯片放在量子位附近可避免此问题。折衷方案是芯片现在接近量子位，并且芯片产生的热量可能会加热量子位。醋栗通过将控制芯片放在量子位附近(但不是太靠近)来控制这些竞争效应。通过将醋栗放在冰箱中但与量子位热隔离，芯片产生的热量会从量子位吸收并进入混合室。(请参见图2)。
将芯片放在量子平面的量子位附近可解决一组温度问题，但会产生另一组问题。要在量子位所在的位置操作芯片，它必须在与量子位相同的温度下工作-100 mK。在此温度下操作标准大块CMOS芯片具有挑战性，因此该芯片使用了完全耗尽的绝缘体上硅(FDSOI)技术，从而优化了系统在低温下的运行。它具有背栅偏置，其晶体管的第四端可用于补偿温度变化。晶体管和栅极的这种系统允许对量子位进行单独校准，并且晶体管向每个量子位发送个性化的电压。
盖茨豪门：从室温到每个量子位都不需要单独的控制线
Gooseberry的另一个优点是，该芯片的设计方式是，控制量子位的电子门由单个电压源充电，该单个电压源以“循环”方式循环通过门，必要时进行充电。以前的量子位控制器需要在室温或4K条件下从多个电压源获得一对一的电缆，这损害了大规模运行量子位的能力。Reilly博士团队首创的设计极大地减少了此类控制器的散热。低温也可以在这里发挥作用，极端低温使电容器可以保持更长的电荷。这意味着栅极需要减少充电频率，并产生较少的热量和对量子位稳定性的其他破坏。
Gooseberry芯片由数字和模拟模块组成。耦合的数字逻辑电路通过有限状态机(FSM)来执行芯片的通信，波形存储和自主操作，并且芯片的数字部分还包括一个主振荡器(见图3)。该芯片还使用串行外设接口(SPI)，以便在量子堆栈上方进行轻松通信。芯片的模拟组件是一系列单元，称为“电荷锁定快速门”(CLFG)单元，它们执行两种功能。首先，如上所述，充电锁定功能是对栅极进行充电的过程。存储在每个门上的电压适合于各个量子位。通过更改门上的电压以qubit的形式处理信息，这在第二个功能“快速门控”中发生。
量子点芯片对低温CMOS控制的基准测试结果
当通过这些脉冲与qubit有效通信时，低功耗是一个关键挑战。有三个变量会影响功耗：电压电平，频率和电容。在这种情况下，所需的电压由量子位设置，频率由量子位的量子位和时钟速率设置。这使电容成为在栅极充电和发送脉冲时可以调整以产生低功耗的唯一变量，低电容意味着低功耗。该系统中的电容器很小，彼此间隔很近，并且非常靠近量子平面，因此它们需要尽可能少的功率来使电容器之间的电荷混洗以与量子位通信。
研究人员测试了Gooseberry芯片，以了解将其与基于GaAs的量子点(QD)器件连接后的性能。量子点设备中的某些门在室温下连接到数模转换器(DAC)，以将这些结果与标准控制方法进行比较。来自CLFG电池的功率泄漏通过设备中的第二个量子点进行测量，而QD电导的测量提供了一种监控电荷锁定过程的方式。控制芯片加电时，将测量芯片所有组件的温度，这表明温度在必要的频率或时钟速度范围内保持在100 mK以下(见图4)。有关基准测试过程的更多详细信息，请参见本文。
根据这些结果，研究人员估计了Gooseberry控制芯片所需的总系统功率与频率和输出门数的关系。这些结果同时考虑了时钟速度和拓扑量子位所需的温度，图5显示该芯片能够与数千个量子位进行通信，并且能够在可接受的范围内工作。对于基于电子自旋或门禁的量子位平台，这种基于CMOS的控制方法似乎也是可行的。
在低温下可以进行通用计算的原理证明
通用低温计算核心是一项最新的发展，延续了Gooseberry所取得的进步。这是在低温下运行的通用CPU。目前，内核工作在大约2 K，并处理一些触发操作和数据处理。由于不受温度的限制，它还处理分支决策逻辑，与Gooseberry相比，它需要更多的数字电路块和晶体管。核心充当Gooseberry与可执行代码之间的中介，开发人员可以编写可执行代码，从而在qubit与外界之间进行软件可配置的通信。该技术证明可以在低温环境中编译和运行许多不同类型的代码(使用当前工具编写)，