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，其取值只能是1或0。相比之下，量子计算机的核心构件——量子比特（qubit）——可以同时存在于取值为1和0的叠加态，以及两者之间的任意组合态。这意味着20量子比特的量子计算机能同步表征超过一百万种不同状态。这种被称为量子叠加的现象，正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

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。该过程需要极高灵敏度的微波放大器确保精准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、噪声或电磁干扰都可能导致量子比特丧失完整性（即量子态坍缩），致使信息失效。由于放大器以热能形式输出，它们同时引发退相干现象。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。目前，查尔莫斯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。我们坚信这项突破将助力未来实现更精确的量子比特读取。"查尔莫斯大学太赫兹与毫米波技术专业博士生、发表于IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques期刊的本研究第一作者殷增（Yin Zeng）表示。

量子计算机规模扩展的关键突破

这项进展对扩展量子计算机规模以容纳远超当前数量的量子比特具有重大意义。查尔莫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。随着量子比特数量增加，计算机的计算能力与处理高度复杂运算的容量将同步提升。然而更大的量子系统需要更多放大器，导致总功耗上升并可能引发量子比特退相干。

"针对未来量子计算机扩容过程中量子比特放大器发热这一主要限制因素，本研究提供了解决方案。"查尔莫斯大学微波电子学教授、殷增的主要导师扬·格拉恩（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启动，而非持续工作。

"这是首次实现在脉冲操作模式下不影响性能的低噪声半导体量子读取放大器，其功耗较当前最先进技术大幅降低。"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启动速度足以匹配量子比特读取节奏。研究团队通过智能算法设计放大器解决了该问题，并开发了创新测量技术验证脉冲式低噪声微波放大器的噪声与增益特性。

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

研究详情信息

相关论文《Pulsed HEMT LNA Operation for Qubit Readout》发表于IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques期刊。

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殷增、扬·格拉恩，以及Low Noise Factory AB公司的约尔根·斯泰纳松（Jörgen Stenarson）与彼得·索比斯（Peter Sobis）。

该放大器在查尔莫斯理工大学Kollberg实验室及瑞典哥德堡Low Noise Factory AB公司研制完成。

研究项目由查尔莫斯无线基础设施技术中心（WiTECH）及Vinnova计划更智能电子系统资助。