量子计算机刚刚完成升级——效率提升达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）——可以同时具有1和0的值，以及介于两者之间的任何组合状态。这意味着一台20量子比特的量子计算机能同时呈现超过一百万个不同状态。这种称为量子叠加的现象，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——但会导致退相干

为利用量子计算机的计算能力，必须测量量子比特并将其转换为可解读信息。该过程需要极其灵敏的微波放大器，以确保精确探测和读取这些微弱信号。然而读取量子信息极为精密——即使最微小的温度波动、噪声或电磁干扰都可能导致量子比特丧失其完整性（即量子态），致使信息失效。由于放大器的输出以热量形式产生，它们也会导致退相干。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，查尔默斯大学研究人员凭借新型高效放大器取得了重要进展。

"这是目前利用晶体管可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能量的十分之一，同时性能不受影响。我们坚信这项突破将实现未来对量子比特更精确的读取，"查尔默斯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》的研究第一作者曾银表示。

量子计算机扩展规模的关键突破

此项进展对扩展量子计算机规模以容纳远超当前的量子比特数具有重要意义。查尔默斯大学通过国家研究项目"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，计算机计算能力及处理高度复杂运算的容量也随之提升。但更大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。

"这项研究为未来量子计算机的升级提供了解决方案，这些量子比特放大器产生的热量正构成主要限制因素，"查尔默斯大学微波电子学教授、曾银的首席导师扬·格拉恩指出。

按需启动

与其他低噪声放大器不同，查尔默斯团队研发的新型放大器采用脉冲驱动模式，仅在需要放大量子比特信号时启动，而非持续工作。

"这是首个在脉冲工作模式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，且功耗相比当前最先进技术显著降低，"扬·格拉恩强调。

鉴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启动以匹配量子比特读取节奏。查尔默斯团队通过设计智能放大器解决该问题，采用优化放大器运行的算法。为验证方案，他们还开发了测量脉冲驱动低噪声微波放大器噪声与增益的创新技术。

"我们运用遗传编程实现放大器的智能控制，使其对传入量子比特脉冲的响应速度大幅提升至35纳秒，"曾银解释道。

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式HEMT低噪声放大器操作》。

论文作者包括查尔默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银、扬·格拉恩，以及Low Noise Factory AB公司的约尔根·斯坦纳松与彼得·索比斯。

该放大器在查尔默斯理工大学的科尔伯格实验室（Kollberg Laboratory）以及瑞典哥德堡的Low Noise Factory AB公司共同研发。

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