量子计算机刚刚完成升级——效率提高10倍

比特是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，量子计算机的常见构建单元——量子比特（qubit）——可以同时存在于取值为1和0的状态，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够同时表示超过一百万种不同的状态。这种被称为量子叠加的现象，是量子计算机能够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。

放大器至关重要——但会引起退相干

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释的信息。此过程需要极其灵敏的微波放大器，以确保准确检测和读取这些微弱信号。然而，读取量子信息是极其精密的操作——即使是最轻微的温度波动、噪声或电磁干扰，都可能导致量子比特失去完整性及其量子态，从而使信息失效。由于放大器会以热量形式产生输出，它们也会引起退相干。因此，该领域的研究人员始终致力于寻找更高效的量子比特放大器。如今，查尔姆斯大学的研究人员凭借其新型高效放大器取得了重要进展。

"这是目前利用晶体管能够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低至当今最佳放大器所需功耗的十分之一。我们希望并相信这一突破将使未来对量子比特的读取更加精确，"查尔姆斯大学太赫兹与毫米波技术专业博士生、发表于《IEEE微波理论与技术汇刊》期刊的研究第一作者Yin Zeng表示。

量子计算机规模化进程中的关键突破

这一进展对于扩展量子计算机规模以容纳远超当今数量的量子比特具有重要意义。多年来，查尔姆斯大学通过国家研究计划"Wallenberg量子技术中心"积极投入该领域。随着量子比特数量的增加，计算机的计算能力和处理高度复杂计算的能力也会提升。然而，更大的量子系统也需要更多放大器，导致总功耗增加，从而可能引发量子比特的退相干。

"本研究为解决未来量子计算机规模化过程中量子比特放大器产生的热量这一主要限制因素提供了解决方案，"查尔姆斯大学微波电子学教授、Yin Zeng的主要导师Jan Grahn表示。

仅在需要时激活

与其他低噪声放大器不同，查尔姆斯大学研究人员开发的新型放大器采用脉冲操作模式，这意味着它仅在需要进行量子比特放大时激活，而非持续开启。

"这是首次展示用于量子读取的脉冲操作低噪声半导体放大器，在保持性能不受影响的同时，与当前最先进技术相比显著降低了功耗，"Jan Grahn说道。

由于量子信息以脉冲形式传输，核心挑战之一是确保放大器启动速度足够快以跟上量子比特读取节奏。查尔姆斯团队通过设计智能放大器解决了该问题，其采用优化放大器操作的算法。为验证该方法，他们还开发了一种测量脉冲操作低噪声微波放大器噪声与增益的新技术。

"我们采用遗传编程实现放大器的智能控制。这使其对输入量子比特脉冲的响应速度大幅提升，仅需35纳秒，"Yin Zeng解释道。

研究详情：

请阅读发表于《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 LNA操作》。

论文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Yin Zeng和Jan Grahn，以及Low Noise Factory AB公司的Jörgen Stenarson和Peter Sobis。

该放大器在查尔姆斯理工大学的Kollberg实验室和瑞典哥德堡的Low Noise Factory AB公司开发完成。

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