米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）、米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）、量子与AI融合技术事业发展全球研究中心首席研究员竹内直树、为加速大规模超导量子计算机的开发，横滨国立大学吉川伸之教授、山井大树助理教授（研究时）、日本电气公司东北大学山下太郎教授与首席研究员山本刚合作，提出了一种可以控制大量量子比特的超导电路，并成功演示了电路工作原理。
实现实用的量子计算机需要大量在极低温度下运行的计算机量子位的状态，据说需要一百万个量子位。现有的量子计算机在室温下生成微波炉每个信号在极低的温度下通过不同的电缆传输到量子比特。这需要大量连接室温和低温的电缆，这将可控量子位的最大数量限制在 1000 个左右。
这次，我们提出了一种可以通过复用微波用单根电缆控制多个量子位的超导电路，并在液氦（绝对温度42 K）中成功演示了其原理。如果这项技术投入实际应用，与传统方法相比，将有可能将微波传输路径的密度提高约1000倍，从而可以大幅增加可在极低温度下控制的量子比特数量。预计这将加速大规模量子计算机的发展。
此研究结果的详细信息将于 2024 年 6 月 3 日（伦敦时间）公布。npj 量子信息
量子计算机有潜力比现有计算机更快地解决某些问题。为此，世界各地的研究机构正在朝着量子计算机的实现进行研究和开发。在多种方法中，使用与集成电路工艺兼容的超导元件的量子计算机的开发正在积极进行。然而，为了实现实用级别的超导量子计算机，需要在冰箱中极低的温度下集成大量的量子比特，据说这个数量要达到一百万个。
实现大规模超导量子计算机的重要问题之一是如何控制量子位。现有的控制方法中，在冰箱外部室温下产生的微波信号在冰箱内部极低的温度下照射到每个量子比特。因此，室温和低温之间的电缆数量与量子位的数量成比例增加。然而，出于热量流入和空间考虑，冰箱内部可安装的电缆数量存在上限，因此现有的控制方法将最大量子比特数限制在1000个左右。实现实用的大规模超导量子计算机需要增加用于量子位控制的微波传输路径的密度的电路技术。
AIST 一直在开发超导数字/模拟集成电路，以实现下一代计算机和探测器。此次，我们着眼于超导集成电路优异的能效以及与微波技术的高度亲和力，致力于开发量子比特控制的超导电路。
这项研究和开发得到了 JST 紧急研究支持项目“利用绝热超导电路的创新量子比特控制技术 (2022-2028)”(JPMJFR212B)、JSPS 科学研究/基础研究补助金 (S)“利用可逆量子磁通电路超越热力学极限的超低能量技术”的支持JSPS科学研究补助金（S）的“创建超导自旋电子大规模量子计算电路以证明量子霸权（2019-2023财年）”（JP19H05615）。
图1(a)显示了本次提出的量子位控制超导电路的框图。该图显示了用微波照射三个量子位的情况。该电路与量子比特一样，被置于极低的温度下并且具有超导性。谐振器和超导性搅拌机（本研究中提出）。从室温到多个微波炉 (f1、f2、f3) 用于多路复用信号（多路复用微波）和脉冲信号生成基带信号将被输入。多路复用的微波由超导谐振器分离，超导混频器分离每个微波和基带信号脉冲微波信号结果，可以从一个微波输入（多路复用微波）输出多个量子位控制微波信号（微波1至3）。原则上，无论量子比特的数量多少，连接室温和低温的电缆都只有两条：复用微波和基带信号，因此可以大大减少电缆的数量。然而，可复用的微波数量受到超导谐振器损耗的限制，因此一根电缆可控制的量子位数量估计最多为数千个。
图1(b)显示了两个微波（45 GHz和5 GHz）复用时的仿真波形。微波1(45GHz)和微波2(5GHz)分别从超导混频器1和超导混频器2输出。每个微波可以通过控制信号1和2单独打开/关闭，并且任何量子位都可以用微波照射。这种灵活的微波操纵是实现量子算法的关键特征。此外，模拟估计电路的功耗仅为每个量子位 818 pW。低功耗运行是一个重要的好处，因为即使冰箱内的少量热量也会破坏量子位的状态。
图1 (a) 所提出的量子位控制超导电路的框图，(b) 模拟波形。
*原始论文中的数字被引用或修改。
所提出的量子位控制超导电路是使用AIST的超导集成电路工艺制造的，并在极低的温度环境下进行了原理验证实验。图2（a）显示了所制造的量子位控制超导电路的芯片照片。该电路由两组超导谐振器和一个超导混频器组成。使用该芯片，我们演示了量子位控制所需的基本微波操作。图 2(b) 显示了测量结果的示例。该图显示两个多路复用微波分为微波1和2，并且每个微波都可以单独控制打开和关闭。
图2（a）量子位控制超导电路的芯片照片，（b）微波操控实验。
*原始论文中的数字被引用或修改。
上述结果表明，通过使用所提出的量子位控制超导电路，可以显着提高用于量子位控制的微波传输路径的密度。希望该电路成为实现大规模超导量子计算机的基础技术。
未来，我们将对所提出的量子位控制超导电路和量子位进行集成测试，目的是演示使用该电路的量子位控制。此外，我们将进一步改进该电路的功能，使其能够执行量子计算所需的所有量子门。
已出版的杂志：npj 量子信息
标题：使用绝热超导逻辑的微波复用量子位控制器
作者姓名：Naoki Takeuchi、Taiki Yamae、Taro Yamashita、Tsuyoshi Yamamoto 和 Nobuyuki Yoshikawa
DOI：101038/s41534-024-00849-2