量子计算机刚刚完成升级——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（qubit）——可以同时存在于值为1和0的状态，以及其间任意组合的所有状态。这意味着一台20量子比特的量子计算机能同时表示超过一百万种不同状态。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极端复杂问题的关键原因之一。

放大器不可或缺——但会引起退相干

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释的信息。该过程需要极其灵敏的微波放大器，以确保准确检测和读取这些微弱信号。然而，读取量子信息极其精密——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丧失其完整性和量子态，使信息无效。由于放大器以热量的形式产生输出，它们还会引起退相干。因此，该领域研究人员始终在追求更高效的量子比特放大器。如今，查尔姆斯理工学院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，同时性能不受影响。我们期望并相信这一突破将实现未来更精确的量子比特读取，"查尔姆斯理工学院太赫兹与毫米波技术博士生、《IEEE微波理论与技术汇刊》所刊研究的第一作者曾尹（音译）表示。

扩展量子计算机规模的关键突破

这一进展对于扩展量子计算机规模以容纳远超当前的量子比特数量可能具有重要意义。多年来，查尔姆斯理工学院通过国家研究项目——瓦伦堡量子技术中心——积极参与该领域。随着量子比特数量增加，计算机的计算能力及处理高度复杂运算的容量也随之增强。然而，更大的量子系统也需要更多放大器，导致总功耗增加，进而引发量子比特退相干。

"本研究为量子计算机的未来规模化扩展提供了解决方案，其中这些量子比特放大器产生的热量是主要制约因素，"查尔姆斯理工学院微波电子学教授、曾尹的主要导师扬·格兰（Jan Grahn）表示。

仅在需要时激活

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放大量子比特信号时激活，而非持续开启。

"这是首个在脉冲操作下用于量子读取的低噪声半导体放大器演示，其性能不受影响，且与当前最先进技术相比功耗显著降低，"扬·格兰说。

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激活速度足够快以跟上量子比特读取节奏。查尔姆斯团队通过采用改进放大器操作的智能算法设计放大器来解决此问题。为验证其方法，他们还开发了一种测量脉冲驱动低噪声微波放大器噪声与增益的新技术。

"我们利用遗传编程实现放大器的智能控制，使其对输入量子比特脉冲的响应速度大幅提升，仅需35纳秒，"曾尹解释道。

研究详情：

阅读发表于《IEEE微波理论与技术汇刊》的论文《用于量子比特读取的脉冲HEMT低噪声放大器操作》。

论文作者包括曾尹和扬·格兰（两人均任职于查尔姆斯理工学院微技术与纳米科学系太赫兹与毫米波技术实验室），以及约尔根·斯坦纳松（Jörgen Stenarson）和彼得·索比斯（Peter Sobis）（两人均任职于瑞典哥德堡Low Noise Factory AB公司）。

该放大器在查尔姆斯理工学院的Kollberg实验室和瑞典哥德堡的Low Noise Factory AB公司开发完成。

研究项目由查尔姆斯无线基础设施技术中心（WiTECH）和Vinnova计划《智能电子系统》资助。