开发可在-269摄氏度下使用的量子计算机读出电路

开发可在-269摄氏度下使用的量子计算机读出电路

2023/03/22

可在-269℃下使用量子计算机读出电路的开发 在日本各地工作通用量子计算机的实现

近年来，开发量子计算机的竞争变得更加激烈。他尤其擅长量子化学计算和量子机器学习“通用量子计算机”有望在材料开发、人工智能和金融领域得到应用在这种情况下，日本研究机构联合起来，推出了全日本研究项目将利用迄今为止培育的半导体集成电路开发技术和经验，实现世界标准的通用量子计算机这一发展的关键技术之一是“纠错技术”。传统的计算机在使用过程中也会受到各种类型的噪声和数据错误的影响，因此已经设计了各种方法来纠正这些错误。比纠错技术对于量子计算机来说更为重要，据说量子计算机容易受到噪声的影响为了立即执行纠错，数据必须是需要快速准确地读出“量子位”的状态然而，过去“量子位”是在冰箱内部开发的，读出电路通过长电缆连接到冰箱外部，效率低下。 AIST实现的读出电路是它在-269摄氏度（4开尔文）的极低温度下运行，并以比传统方法快100倍的速度准确读取称为硅自旋量子位的量子位的状态这是可以做的事情（2022/6/14 新闻稿）。我们向两人询问了开发过程。

将集成电路技术带入物理世界

　传统计算机（也称为经典计算机，与量子计算机相对）将数据表示为“0”或“1”。量子计算机不仅可以存储“0”和“1”，还可以存储两者的组合数据，例如70%“0”和30%“1”。此外，由于可以并行处理叠加数据并进行并行计算，因此可以高速解决问题。

通用量子计算机原则上可以计算所有问题。然而，由于计算结果也是以叠加的方式产生的，因此实际上结果仅限于已经开发出量子算法来提取所需答案的结果。到目前为止，量子算法已被证明能够在量子化学计算、量子机器学习和组合优化计算方面比经典计算机更快地解决问题。这预计将导致材料开发、人工智能和金融领域应用的巨大进步，全球IT公司正在相互竞争研发。

　尽管普遍认为日本在IT领域的研发落后于美国，但日本研究人员也为量子计算机的发展做出了重大贡献。加拿大D-Wave公司制造的量子退火机（专门用于计算极其有限问题的量子计算机）于2011年上市，掀起了量子计算机的发展热潮，其原理是基于东京工业大学名誉教授西森秀俊设计的。关于量子比特，1999年，东京大学的中村康信教授和RIKEN（当时就职于NEC公司）等人宣布了世界上第一个使用约瑟夫森结的超导量子比特。

并于2018年，AIST、RIKEN、东京工业大学等五家研究机构开展了硅量子计算机的研究项目^*1成立并开始了新的奋斗。

　器件技术研究部门负责人森隆宏表示：“在那之前，负责开发量子计算机的人主要是擅长理论的物理研究人员。这个项目涉及到许多集成电路专家，包括我自己，他们擅长硅半导体的工程方法。”这是日本的首次，我认为这在其他国家也是首次。我们正在积极致力于利用我们在传统计算机上培养的技术、知识和经验来提高通用量子计算机的可靠性和效率。”这次取得的成果也是在此之上的。

创建一个在冰箱上运行的读出电路并将其连接到量子位

量子位有多种类型，包括超导量子位。该团队的目标是一种被称为“硅自旋量子位”的东西，它很有可能利用大规模集成电路（LSI）技术进行高度集成。在硅中创建约10 nm至30 nm（纳米）的量子大小的盒子（点）来限制单个电子。电子自旋的向上和向下方向代表“0”和“1”，其他方向代表“0”和“1”的叠加。 “1”用微波照射它来控制自旋状态并执行计算。

　为了推进LSI技术的实用化，不仅需要提高量子位的性能和集成度，还需要提高控制集成量子位并进行计算的机构和电路、读出控制结果的机构和电路等多个要素的性能和集成化。

　研究这个问题的设备技术研究部的Yuji Sarata表示：“到目前为止，无论哪种类型的量子位，量子位都处于绝对零（约-273℃），并且读出和控制电路都在冰箱外部。通过使用室温下的设备在室温下操作量子位来创建量子计算机是一种奇怪的方法。将量子位从冰箱中取出并在室温下操作是非常困难的，所以我认为这会是一种很奇怪的方法。”将读出电路放在冰箱内是个好主意。''

　在讨论在极低温度下工作的读出电路之前，我们先来看看读出量子位的机制。使用放置在量子位旁边的电荷传感器来读取硅自旋量子位。电荷传感器的电流值根据自旋方向而变化，并且这种变化由专用读出电路检测。即使量子位处于叠加态，根据量子力学原理，一测量就可以确定量子位是指向上方还是指向下方。例如，如果读取处于向上 70%、向下 30% 叠加状态的量子位的状态，则有 70% 的概率将其读取为向上。

　如果执行这种读取的电路位于冰箱外部，则必须用很长的电线连接到冰箱内部的电荷传感器，使得读取速度极其缓慢。为了避免这种情况，如果我们要将读出电路包含在冰箱内，我们就必须创建一个可以在 -269 摄氏度（4 开尔文）的极低温度下工作的读出电路。

　对于易于集成的通用半导体（MOS晶体管），通常可以保证在低至-40°C的低温下运行。还有仿真模型可以根据高达该范围的温度来预测电路特性，并且可以在实际制造电路之前通过仿真来验证操作。 -40 我们知道MOS晶体管在低于30°F的温度下工作，但它们的特性变化很大。”Sarata说，由于没有极低温度的仿真模型，他开始反复构建一个简单的电路并测量其在低温下的特性。没有明确的标准或方法来评估他们创建的设备的性能，因此他们通过反复试验来积累专业知识和技术。通过反复试验，我们已经能够在极低的温度下创建特征模型。

　本次的读出电路由三块组成，如上图所示。由于电荷传感器中的电流变化很小，约为 1 纳安 (nA)，因此首先使用“电流积分电路”放大该微小电流。众所周知，低频噪声（闪烁噪声）在极低的温度下会增加，从而导致读出时间延迟。因此，我们安装了“相关双采样放大器电路”，在不同时间对积分电路的输出进行两次测量（采样），并引入了消除低频噪声的机制。最后，有一个“电压比较电路”，将输出与参考电压进行比较以确定自旋方向。

读出时间和可测量电流值之间存在权衡关系，如下图所示。当要读取的电流值小时，测量时间变长，相反，当电流值大时，测量时间变短。之前的研究测量了01 nA到1 nA的电流值，数据显示当前结果能够在此范围内测量电流值的速度提高大约100倍。

向量子计算机的实际应用迈出一步

　Sarata说：“该读出电路的设计假设是在极低的温度下工作，即使器件特性发生一定程度的变化，也可以工作，并且还可以在工作期间调整特性。通常，半导体集成电路是基于模拟模型设计的，缩小到特定条件，但这次我们扩大了范围，并将其设计为在低温下工作，同时进行调整。”

　森自豪地谈到这一结果：“我认为，成为世界上第一个证明速度可以提高 100 倍以上的人，这是极具开创性的。”这是森、萨拉塔和集成电路研究人员共同努力开发基于物理世界的量子计算机的结果。未来，随着晶体管在极低温下特性的阐明和建模的进展，读出电路设计将得到优化，速度将进一步提高。电荷传感器的改进也在计划中，萨拉塔很热情地说，“我想让它比现在快至少两个数量级。”

　据说，要将量子计算机投入实际应用，需要集成和控制超过100万个量子比特的技术。为此，我们必须利用集成电路开发的经验和技术，稳步、大胆地推进量子比特、读出、控制等方面的发展。我们正在稳步推进实现源自日本的通用量子计算机。

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*1：文部科学省光学/量子飞跃旗舰计划（Q-LEAP）[返回来源]