通过工业界、学术界和政府之间的密切合作，量子计算机就在您手中

通过工业界、学术界和政府之间的密切合作，量子计算机就在您手中

2024/07/31

通过工业界、学术界和政府之间的密切合作，量子计算机就在您手中 从性能评估到延长量子位的寿命AIST G-QuAT 齐心协力

AIST建立了新的量子技术研究中心“G-QuAT”，并正在促进基于量子技术的产学官之间的合作支持大规模量子计算机的制造技术开发和量子计算机产业化的评估服务，甚至量子技术的社会实施和新市场的创造“量子器件测量团队”是从材料、设计、测量、制造工艺等多个角度研究和开发使用超导量子位的量子计算机到目前为止开发出世界上最高性能的微波谐振器目前，我们正在与企业和研究机构合作，加速量子计算机的研发，量子计算机已经开始进入产业化阶段，走向社会落地。我们向研究小组组长猪俣邦宏询问了研究现状和未来前景。

提供准确评估超导量子位性能的平台

　我们的团队正在对使用超导量子位作为操作元件的量子计算机进行一系列研究，不仅设计、制造和评估量子位，还设计、制造和评估与读出和其他功能相关的设备。”

　我们的特点之一是，我们拥有一个平台，不仅可以让我们测量和评估我们开发的产品，还可以测量和评估公司和其他研究机构开发的产品，无论是由开发人员自己还是代表他们。为了创建一个精确且易于使用的样品测量平台，设置设备极其重要，”Inomata 解释道。

　超导量子位需要放置在10 mK（001 K = -27314 ℃）的极低温环境中，并设置在称为稀释冰箱的大型冷冻装置中。目前全球使用的稀释冰箱中约 90% 是芬兰制造的。圆柱形容器从上到下内置有六块圆板。底部基板冷却至001 K，并在此设置超导量子位。

　然而，为了进行准确的测量和评估，不能直接使用市售的稀释制冷机。这需要各种器件（部件）的选择、部件的设计和开发以及它们的结合。例如，由于使用微波进行计算和读出等操作，因此微波信号在室温下从微波发生器被引导到冰箱中。从室温流入的热量会变成热噪声并导致量子比特故障，因此在输入线路上稀释制冷机内的每个温度板上安装了微波衰减器，并用白铜制成的高阻同轴电缆连接。此外，底板上还安装了红外滤光片，滤除高频红外线，消除室温的热噪声。

　热量并不是影响操作的唯一因素。底板还集成了最初设计和制造的磁屏蔽装置。 “超导量子位在暴露于磁噪声时会发生故障。磁屏蔽是保护量子位免受地球磁场影响的重要装置。”Inomata 谈到这一精致的设计时说道。

　由于来自超导量子位的信号极其微弱，因此输出线使用铌基超导同轴电缆，以最大限度地减少电损耗。此外，从顶部数第三个圆板使用半导体放大器放大来自超导量子位的微弱信号，同时保持4K的温度，这样即使信号输出到室温下的场，也不会被热噪声掩埋。稀释制冷机采用了这种独特的技术和专业知识，专为测量而设计。

开发出世界最高性能的微波谐振器

　Inomata 和他的团队不仅在开发一个评估平台。我们还在开发一种称为微波谐振器的设备，可用于读取超导量子位的状态是“0”还是“1”作为操作的结果。在稀释制冷机底板的温度环境下，导入该谐振器的微波被量子化，可以被认为是“光子”。谐振器内部的光子与超导量子位发生强烈相互作用，并且当超导量子位处于“0”状态和“1”状态时，谐振器内部光子的振幅和相位不同。

　微波谐振器的性能由内部Q值来表示。这个值越高，微波谐振器的能量损失越小，性能越高。当一个光子进入微谐振器时，Q值通常在500,000左右，但我们已经从0,000到4,000,000提高了一个数量级。这是日本二维平面的最高水平而且，这个结果是在略低于12 GHz的光子能量下获得的，我们的团队拥有世界上最高性能的技术。”

　AIST拥有一个名为超导量子电路制造设施（Qufab）的洁净室来制造超导量子位芯片，并有专门的技术人员支持研究。随后，Inomata 团队调整了微波谐振器的制造工艺，并改进了测量样品的封装，成功实现了最高性能。

　还有其他例子，团队利用 Qufab 积累的技术和知识来进行开发。一个这样的例子是一种称为约瑟夫森行波参量放大器的量子终极放大器。该放大器安装在冷却至001 K极低温度的基板上，通过放大超导量子位状态转移到的光子来提高读出效率。Qufab多年来培育的铌超导体集成技术用于制造放大器。

　作为 AIST 使命的一部分，我们从一开始就一直在推进该项目，旨在向想要使用它的公司和大学提供这种量子终极放大器。”Inomata 说道。

延长超导量子位的寿命

　该团队还致力于开发超导位本身，这是量子计算机的核心。

　“提高超导量子比特的寿命是我们目前的主要目标之一。无论我们提高多少集成度，如果寿命短了也是没有用的。首先，我们希望创造一个能够达到理论预测寿命的量子比特。”

　这里量子位的寿命是一个称为能量弛豫率的指标，它是量子位可以维持其“1”状态的时间量。目前量子计算机主流的超导量子位是“约瑟夫森结”，其中两个铝超导电极通过薄的氧化铝绝缘膜连接。通常，电子不会穿过绝缘膜，但负责超导性的库珀对利用隧道效应穿过该薄绝缘膜。库珀对之间的这种来回变成了一种振动，产生了离散的能级。两个最低级别被选择为“0”和“1”，并作为量子位进行操作。

　根据所用基底材料的介电损耗，这种超导量子位的理论寿命估计为几毫秒（10 ms = 001 s），但世界上尚未有研发团队能够达到该值。

　“对于量子计算机来说，必须有一个‘纠错’功能来纠正由量子位引起的错误，这是当前量子计算机发展的一个主题。事实上，这种错误很大程度上是由于量子位的寿命造成的。如果量子位的寿命变长，错误就会减少，纠错应该会更容易。”

　即使传统计算机也具有纠错功能，因为操作员可能会因宇宙射线等环境噪声而犯错，但用于量子计算机的各种纠错方法仍在开发中。如果量子位的寿命延长并且错误稍微减少，就会有更多的选择。

　“目前，有两个主要因素阻碍了寿命。一个是介电损耗，这是一种现象，当电场施加到电介质上时，其中一些会以热能的形式损失。另一个是电子的存在，这些电子对超导性没有贡献，”Inomata 明确解释道。

　造成介电损耗的原因有很多，其中之一是在构成量子位的硅基板和电极焊盘表面上形成的氧化物。此外，在超导状态下，两个电子形成库珀对，这是零电阻的来源。然而，由于某种原因，存在一定数量的不成对电子或“非平衡准粒子”，这阻碍了量子位的寿命。

　巨大的挑战包括如何控制超导量子位表面的氧化物、不形成库珀对的杂散电子从何而来，以及如何控制它们。该团队已开始研究和开发使用新材料的超导量子位，以实现长寿命量子位，并正在考虑和测试各种方法来解决该问题，包括制造工艺和设计方面的方法。

　例如，在去除引起介电损耗的氧化物时，有两种方法：制造工艺和材料。

　当传统的绝缘膜由氧化铝制成时，铝沉积在基材上并且表面被氧化，产生非晶态氧化铝。然而，非晶材料存在许多缺陷，并且在极低的温度下形成量子两能级系统，当它们与量子比特和微波谐振器耦合时会导致能量损失。因此，我们与信息通信技术研究所联合研究，采用表面难以氧化的氮化铌作为超导电极，氮化铝作为绝缘膜，采用不易产生晶体缺陷的外延生长技术，制作了超导量子位。

　虽然我们还没有获得足够的寿命，但氮化物超导量子位具有比铝更高的超导温度，我们相信我们可以抑制被称为“非平衡准粒子”的杂散电子的激发，这种杂散电子会抑制寿命。此外，也可以使用外延生长的缺陷很少的氮化铝绝缘膜。我认为这是一种有前途的材料，所以我想继续朝这个方向进行研究。''

AIST 量子中心 G-QuAT 加速量子计算机的产业化

　量子计算机的发展不再是实验室水平的事情，现在正在进入产业化阶段。因此，与其小批量地进行，不如让不同领域的人参与进来，吸收有前途的技术和知识，并乘上工业化的浪潮。 G-QuAT 是为此目的推进联合研究的完美组织，我认为自己很幸运能够在这里进行研究。''

　Inomata 和他的同事特别感兴趣合作的技术领域之一是微波传输。其中有循环器，这是路由微波的三端组件，还有隔离器，其中一个端接为50欧姆，这是一种隔离相反方向的信号并消除和降低噪声的组件。目前，日本还没有公司正在开发这种可以在量子计算机所需的极低温度下运行的组件。

　“我们很乐意与对低温操作和小型化感兴趣的公司合作。此外，微波隔离器等模拟元件的尺寸是由微波波长决定的，因此我们绝对希望与拥有突破这一概念的技术和想法的公司合作。”

　在与拥有专业领域和尖端技术的公司和研究机构合作，从工程方面提高量子计算机作为系统的性能的同时，Inomata还作为物理学家对“我想研究一个物理导向的问题：超导量子位的寿命极限是如何产生的”感兴趣。从基础物理到产业化，Inomata看到了一条实现量子计算机的清晰路径。