構建出一臺能夠解決由於計算的複雜性、成本、能耗或解決方案等原因引起的“老大難”問題的量子計算機，是Google AI 量子計算團隊的長期目標。就目前的技術水平來說，第一代誤差校正量子計算機將需要大約100萬個物理量子位，這比我們的72位量子處理器Bristlecone（狐尾鬆）中存在的量子位數多出四個數量級。增加容錯量子計算機所需的物理量子位數，並同時保持對每個量子位的高質量控制是一個令人興奮的技術挑戰，除了簡單地複製和粘貼當前的控制架構之外，我們還需要創新。
我們面臨的一個關鍵挑戰，就是通過將室溫模擬控制電子設備重新定位到低溫恆溫器中的3開爾文檔（kelvin，開爾文是溫度計量單位），以減少每個量子位的輸入/輸出控制線的數量，同時保持高質量的量子位控制。
作爲邁向解決這一挑戰的一步，本週我們在舊金山舉行的國際固態電路會議（http://isscc.org/）上展示了第一代低溫CMOS（互補金屬氧化物半導體）單量子位控制器。採用商用CMOS技術製造，我們的控制器在3開爾文環境下工作，功耗低於2毫瓦，尺寸僅爲1毫米×1.6毫米。從功能上講，它爲單量子位門操作提供指令集，通過室溫和3開爾文之間的數字線路提供量子位的模擬控制，與目前的室溫控制電子設備相比，功耗降低約1000倍。
如何控制72個量子位
在位於聖巴巴拉的實驗室中，我們通過將千兆赫頻率模擬控制信號應用於每個量子位來操作量子位狀態，從而在Bristlecone上運行程序，糾纏量子位並測量計算結果。我們對這些控制信號的形狀和頻率的定義直接影響我們的計算質量。爲了製作高質量的量子位控制信號，我們使用了爲室溫下在服務器機架中包裝的智能手機而開發的技術。各個同軸電纜將這些信號傳送到每個量子位，它們本身保存在冷卻到10毫度的低溫恆溫器內。雖然這種方法對於一個需要2個控制線（每個量子位需要144個獨特控制信號）的Bristlecone級量子處理器有意義，但我們還需要一個更加完整的方法，才能將我們的系統擴展到百萬比特級別。
在我們當前的設置中，從室溫連接到低溫恆溫器內的量子位的接線數量，以及低溫恆溫器的限定冷卻功率是一個重要約束條件。緩解這種情況的一種方法是讓數字模擬控制接近量子處理器。目前，我們的室溫數字——模擬波形發生器用於控制單個量子位，每量子位消耗約1瓦的廢熱。我們的低溫恆溫器在3開爾文時的冷卻功率爲0.1瓦。這意味着，如果我們將150個波形發生器塞入低溫恆溫器（暫時不用擔心冰箱內有限的物理空間），低溫恆溫器的冷卻能力將降低1500倍，從而導致低溫恆溫器受損並使我們的量子位無用。因此，只在低溫恆溫器中安裝現有的數模轉換控制器無法讓我們成功控制數百萬級量子位。很明顯，我們需要一個集成的低功耗量子位控制解決方案。
一個很酷的主意
我們與馬薩諸塞大學教授Joseph Bardin合作，開始開發定製集成電路（IC），以便在低溫恆溫器內控制我們的量子位，最終減少與未來量子處理器之間的物理I / O連接。這些IC被設計用於在超冷環境中工作，特別是在3開爾文環境下，並將數字指令轉換爲用於量子位的模擬控制脈衝。我們的首要目標是設計一個低功耗的定製 IC，以防止低溫恆溫器升溫。
我們設計的IC在3開爾文下耗散不超過2毫瓦，這很有挑戰性，因爲大多數物理CMOS模型的預設操作溫度接近300開爾文。帶着這個想法，我們設計、製造了具有低功耗設計約束的IC，並驗證了低溫CMOS量子位控制器可以在室溫下工作。然後，我們在3開爾文環境下將其安裝在低溫恆溫器中，並將其連接到量子位（在相同的低溫恆溫器中10毫度環境下安裝）。經過一系列實驗，我們確定低溫CMOS量子位控制器可以如預設一樣工作，最重要的是，我們沒有在低溫恆溫器內安裝加熱器。
低溫環境下的性能
我們的新量子控制硬件（包括T1，拉比振盪 https://baike.baidu.com/item/%E6%8B%89%E6%AF%94%E6%8C%AF%E8%8D%A1 和單量子位門）的baseline測試顯示，其與標準室溫量子位控制電子設備相比性能相似：量子位相干時間幾乎沒有變化，並且觀察到拉比振盪非常明顯地改變了低溫CMOS量子位控制器的脈衝幅度——驅動量子位的特徵響應。
下一步
雖然這些結果看起來前途無量，但第一代低溫CMOS量子位控制器只是向真正可擴展的量子位控制和測量系統邁出了一小步。例如，我們的控制器只能處理單個量子位，並且仍然需要多次連接到室溫環境。此外，我們還需要定量單量子位門的錯誤率。同樣地，我們也很高興能夠在減少控制量子位所需能量的同時，保持執行高質量量子位操作所需的精細控制。
原文鏈接：https://ai.googleblog.com/2019/02/on-path-to-cryogenic-control-of-quantum.html