量子计算机刚完成升级——效率提升达10倍

作为传统计算机基本构建单元的比特，其取值只能为1或0。相比之下，量子计算机的基本构建单元——量子比特（qubits）——能同时处于1值和0值的状态，以及其间的任意组合态。这意味着20量子位的量子计算机可同步表征超过一百万个不同状态。这种被称为量子叠加态的现象，是量子计算机能解决当今传统超级计算机无法处理的极端复杂问题的关键原因之一。

放大器不可或缺却引发退相干

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信息。该过程需要极高灵敏度的微波放大器以确保准确探测和读取这些微弱信号。然而读取量子信息极为精密——即使最轻微的温度波动、噪声或电磁干扰都会导致量子比特丧失完整性及其量子态，致使信息失效。由于放大器以热能形式输出，还会引发量子退相干。因此该领域研究人员始终致力于开发更高效的量子比特放大器。如今，查尔姆斯理工大学研究人员凭借新型高效放大器取得重大突破。

"这是目前基于晶体管可构建的最灵敏放大器。在保持性能无损的前提下，我们成功将其功耗降低至当今最佳放大器所需功耗的十分之一。我们确信此项突破将实现未来量子比特的更精准读取。"查尔姆斯理工大学太赫兹与毫米波技术博士生、发表于《IEEE微波理论与技术汇刊》的研究第一作者曾寅（音）表示。

量子计算机扩展规模的关键突破

此项进展对量子计算机扩展至远超当前规模的量子比特数具有重要意义。查尔姆斯理工大学通过国家级研究项目"瓦伦堡量子技术中心"长期深耕该领域。随着量子比特数增加，计算机的计算能力与处理高复杂度运算的容量同步提升。但更大规模的量子系统需要更多放大器，导致总功耗增加进而引发量子比特退相干。

"本研究为解决未来量子计算机扩展过程中量子比特放大器发热这一主要瓶颈提供了方案，"查尔姆斯理工大学微波电子学教授、曾寅的首席导师Jan Grahn指出。

按需启动的创新设计

与其它低噪声放大器不同，查尔姆斯团队研发的新型放大器采用脉冲操作模式，仅在量子比特放大需求时激活而非持续运行。

"这是首款脉冲操作模式下用于量子读取的低噪声半导体放大器实证，其在保持性能不受影响的同时，功耗较现有技术水平显著降低，"Jan Grahn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响应速度匹配量子比特读取。研究团队通过智能算法设计放大器实现突破：采用遗传编程算法优化放大器控制，使其对量子比特脉冲的响应时间缩短至35纳秒。为验证方案，团队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。

研究详情

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

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、Jan Grahn，以及Low Noise Factory AB的Jörgen Stenarson与Peter Sobis。

该放大器在查尔姆斯理工大学Kollberg实验室及瑞典哥德堡Low Noise Factory AB研发完成。

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