量子计算机迎来重大升级——效率提升10倍

比特作为传统计算机的基本构建单元，其数值只能是1或0。相比之下，量子计算机的通用构建单元——量子比特（qubit）——可以同时存在于数值为1和0的状态，以及介于两者之间的任意叠加态。这意味着一台20量子比特的计算机能同步表示超过一百万种不同状态。这种被称为"叠加态"的现象，是量子计算机能解决当今传统超级计算机无法应对的极端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，必须对量子比特进行测量并将其转化为可解读信息。该过程需要超高灵敏度的微波放大器来确保准确探测和读取这些微弱信号。然而，读取量子信息是极为精密的操作——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丧失其量子态的完整性，使信息失效。由于放大器会以热量形式产生输出，它们同时也会引发退相干现象。因此，该领域研究者始终致力于开发更高效的量子比特放大器。如今，查尔莫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突破。

"这是目前利用晶体管所能构建的最灵敏放大器。在保持性能不变的前提下，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。我们确信这项突破将推动未来实现更精确的量子比特读取。"查尔莫斯理工大学太赫兹与毫米波技术博士生、发表于《IEEE微波理论与技术汇刊》的研究第一作者曾寅（音译）表示。

量子计算机规模化进程的关键突破

这项进展对量子计算机规模化至关重要，使其能容纳远超当前数量的量子比特。查尔莫斯理工大学多年来通过国家级研究项目"瓦伦堡量子技术中心"深耕该领域。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将提升。然而，更大的量子系统需要更多放大器，导致整体功耗增加，进而引发量子比特退相干。

"本研究为未来量子计算机的升级提供了解决方案，当前量子比特放大器产生的热量已成为主要限制因素。"曾寅的首席导师、查尔莫斯理工大学微波电子学教授扬·格拉恩（Jan Grahn）指出。

按需启动的创新设计

与其他低噪声放大器不同，查尔莫斯团队研发的新型放大器采用脉冲操作模式，仅在需要放大量子比特信号时激活，而非持续运行。

"这是首次在脉冲操作模式下验证半导体低噪声放大器用于量子读取：在保持性能不受影响的同时，其功耗较当前尖端技术实现断崖式下降。"扬·格拉恩强调。

由于量子信息以脉冲形式传输，核心挑战在于确保放大器能以足够快的速度响应量子比特读取需求。研究团队通过设计智能放大器并采用优化操作的算法解决了该问题。为验证方案，他们还开发了测量脉冲式低噪声微波放大器噪声与增益的创新技术。

"我们采用遗传编程实现放大器的智能控制，使其能在35纳秒内快速响应输入的量子比特脉冲。"曾寅解释道。

研究详情说明：

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

论文作者包括查尔莫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、扬·格拉恩，以及瑞典哥德堡Low Noise Factory AB公司的约尔根·斯坦纳松（Jörgen Stenarson）和彼得·索比斯（Peter Sobis）。

该放大器在查尔莫斯理工大学科伯格实验室（Kollberg Laboratory）与瑞典哥德堡Low Noise Factory AB公司合作研发。

研究项目由查尔莫斯无线基础设施技术中心（WiTECH）及瑞典创新局Vinnova《智能电子系统》计划资助。