量子计算机迎来升级，效率提升10倍

比特是传统计算机的基本构建单元，其值只能是1或0。相比之下，量子计算机的常见构建单元——量子比特（qubits）——可以同时存在于值为1和0的状态，以及介于两者之间的任意组合状态。这意味着一台拥有20个量子比特的量子计算机能同时表示超过一百万个不同的状态。这种现象被称为叠加态，是量子计算机能够解决当今传统超级计算机无法处理的异常复杂问题的关键原因之一。

放大器不可或缺——但会导致退相干

要利用量子计算机的计算能力，必须测量量子比特并将其转化为可解读的信息。该过程需要极其灵敏的微波放大器，以确保准确探测和读取这些微弱信号。然而，读取量子信息是一项极其精密的操作——即使最轻微的温度波动、噪声或电磁干扰都可能导致量子比特失去其完整性（即量子态），使信息失效。由于放大器以热量的形式产生输出，它们也会引发退相干。因此，该领域的研究人员始终致力于开发更高效的量子比特放大器。如今，查尔姆斯理工大学的研究人员凭借其新型高效放大器取得了重要进展。

"这是目前利用晶体管所能构建的最灵敏放大器。我们成功将其功耗降至当今最佳放大器所需功耗的十分之一，且性能毫不妥协。我们期望并相信这一突破将实现未来对量子比特更精确的读取，"查尔姆斯理工大学太赫兹与毫米波技术博士生、发表于IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques期刊的该研究第一作者曾寅（音译）表示。

量子计算机规模化进程中的关键突破

这项进展对扩展量子计算机规模以容纳远超当今数量的量子比特具有重要意义。查尔姆斯理工大学多年来通过国家研究项目"瓦伦堡量子技术中心"积极参与该领域。随着量子比特数量的增加，计算机的计算能力和处理高度复杂计算的能力也随之提升。然而，更大的量子系统需要更多放大器，导致整体功耗增加，进而可能引发量子比特的退相干。

"本研究为未来量子计算机的升级提供了一种解决方案，其中这些量子比特放大器产生的热量是主要限制因素，"查尔姆斯理工大学微波电子学教授、曾寅的主要导师Jan Grahn表示。

按需启动

与其他低噪声放大器不同，查尔姆斯研究人员开发的新型放大器采用脉冲驱动模式，这意味着它仅在需要进行量子比特放大时激活，而非持续开启。

"这是首次展示用于量子读取的脉冲驱动低噪声半导体放大器，其性能不受影响，且与当前最先进技术相比功耗大幅降低，"Jan Grahn说。

由于量子信息以脉冲形式传输，关键挑战之一是确保放大器能快速启动以跟上量子比特读取速度。查尔姆斯团队通过设计采用智能算法的放大器解决了这一问题，该算法优化了放大器的操作。为验证方法，他们还开发了一种新技术用于测量脉冲驱动低噪声微波放大器的噪声与放大性能。

"我们采用遗传算法实现放大器的智能控制。其结果是它对输入量子比特脉冲的响应速度大幅提升，仅需35纳秒，"曾寅解释道。

研究详情：

阅读发表于IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques期刊的论文Pulsed HEMT LNA Operation for Qubit Readout。

论文作者包括查尔姆斯理工大学微技术与纳米科学系太赫兹与毫米波技术实验室的曾寅和Jan Grahn，以及Low Noise Factory AB的Jörgen Stenarson和Peter Sobis。

该放大器在瑞典哥德堡的查尔姆斯理工大学Kollberg实验室和Low Noise Factory AB开发完成。

研究项目由查尔姆斯无线基础设施技术中心（WiTECH）及Vinnova计划Smarter electronic systems资助。