量子计算机刚刚迎来升级——效率提升10倍

作为传统计算机基本构建单元的比特只能取1或0的数值。而量子计算机的基本单元——量子比特（qubit）则能同时处于1和0的叠加态，以及两者之间的任意组合态。这意味着20个量子比特的计算机可同时表征超过百万种不同状态。这种被称为"量子叠加"的现象，正是量子计算机能解决现有超级计算机无法处理的极端复杂问题的关键原因之一。

放大器不可或缺却会引发退相干

要利用量子计算机的算力，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来确保微弱信号能被准确探测读取。然而读取量子信息极为精密——最轻微的温度波动、噪声或电磁干扰都会导致量子比特失去完整性，使其量子态坍缩而丧失信息价值。由于放大器工作时会以热能形式输出，这也会引发量子退相干现象。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，查尔姆斯理工大学的研究团队凭借新型高效放大器取得了重要突破。

"这是目前基于晶体管技术能实现的最灵敏放大器。我们在保持性能的前提下，将其功耗降至现有最佳放大器的十分之一。相信这项突破将推动未来实现更精确的量子比特读取，"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》的论文第一作者曾寅表示。

量子计算机规模扩展的关键突破

这项进展对扩大量子计算机规模具有重大意义。查尔姆斯大学通过瓦伦堡量子技术中心的国家研究项目长期深耕该领域。随着量子比特数量增加，计算机处理复杂计算的能力将呈指数级提升。但更大规模的量子系统需要更多放大器，导致整体功耗上升，进而加剧量子退相干风险。

"本研究为未来量子计算机扩展提供了解决方案，当前量子比特放大器产生的热量已成为主要限制因素，"查尔姆斯大学微波电子学教授、曾寅的导师Jan Grahn指出。

按需启停的创新设计

与常规低噪声放大器不同，查尔姆斯团队开发的脉冲工作模式放大器仅在需要读取量子比特时激活。

"这是首个在脉冲工作模式下保持性能不变，且功耗较现有技术大幅降低的量子读取用半导体低噪声放大器，"Jan Grahn强调。

由于量子信息以脉冲形式传输，确保放大器能快速响应脉冲信号是核心挑战。研究团队通过智能算法优化放大器控制时序，并开发了新型测量技术来验证脉冲模式下微波放大器的噪声与增益特性。

"我们采用遗传编程实现智能控制，使放大器能在35纳秒内快速响应量子比特脉冲，"曾寅解释道。

研究详情

相关论文《用于量子比特读取的脉冲式HEMT低噪声放大器工作模式》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实验室的曾寅、Jan Grahn，以及Low Noise Factory AB公司的Jörgen Stenarson与Peter Sobis。

该放大器在查尔姆斯理工大学Kollberg实验室和瑞典哥德堡Low Noise Factory AB公司完成研发。

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