发表在最近《自然》杂志上的一篇重磅论文中，由英特尔公司、荷兰量子技术公司（QuTech）、洛桑联邦理工学院的科学家组成的研究团队报告说，设计和测试了一种芯片，以控制在低温下运行的量子位进行量子计算，为通向完全集成的、可扩展的基于硅的量子计算机开辟了道路。

该论文题为：“硅量子电路的基于CMOS的低温控制”。许多人知道CMOS，互补式金属氧化物半导体（英语Complementary Metal-Oxide-Semiconductor的缩写），是一种集成电路的设计工艺，可在硅质晶圆模板上制出NMOS（n-type MOSFET）和PMOS（p-type MOSFET）的基本元件，由于NMOS与PMOS在物理特性上为互补性，因此被称为互补式的CMOS。

该工艺广泛用来制作电脑电器的静态随机存取内存、微控制器、微处理器与其他数字逻辑电路系统、以及除此之外比较特别的技术特性，使它可以用于光学仪器上，例如互补式金氧半图像传感装置在一些高级数码相机中变得很常见，使得CMOS现在成为感光元件的代名词。

在我们现在使用的传统计算机中，当代计算机处理器具有数十亿个晶体管，却只有几千个连接。

最有前途的量子计算机及其量子算法要求针对实际应用的量子处理器拥有数百万个量子位。但是量子计算机的每个量子位通常是由单根导线单独寻址，这阻碍了可扩展量子计算机的发展，因为数百万个量子比特将需要数百万条导线。大规模量子计算面临的主要挑战是互联的复杂性。在当前的固态量子比特实现中，低温下的量子芯片与室温电子设备之间出现了一个重要的互连瓶颈。这被称为“布线瓶颈”。

量子计算机的每个基本单位，即量子位，其工作的低温温度为大约零下273摄氏度，这使通过传统解决方案变得更为复杂。

该研究所设计和测试的一种芯片，可控制在极低温度下运行的量子位，为解决这些问题提供了有效方案，这是迈向可扩展量子计算机的重要一步。

传统计算机芯片不可能忍受极端低温，这一新型的低温控制芯片基于一种特殊的硅集成电路，该集成电路能够承受比绝对零值高3摄氏度的低温，并且可以处理量子位，所以这种芯片被称为“Horse Ridge”芯片，是以俄勒冈州最寒冷的地方命名，俄勒冈州是英特尔实验室所在的州。

该新型芯片与量子位一起放入低温，从而消除了“布线瓶颈”的电缆混乱情况。因此，它被称为低温控制芯片。该芯片利用了与传统微处理器相同的技术CMOS技术，专门使用了英特尔22纳米低功耗FinFET技术。该芯片输出定制的微波脉冲串，以驱动极低温下的硅量子位。

由于电子设备在低温下的工作方式有很大不同，因此研究人员在芯片设计中采用了特殊的技术，既可以确保正确的操作，又可以高精度地驱动量子位。最终，控制器芯片和量子位可以集成在同一芯片上封装，因为它们都是用硅制造，从而消除了“布线瓶颈”的重大问题。

高保真度和良好的可编程性

为评估低温控制芯片的质量，研究人员将其与经典的室温控制器进行比较。研究表明，该系统的门保真度非常高，高达99.99％，并且不受控制器的限制，而受量子位本身的限制。对于低温控制芯片的性能而言，这是个好消息。

接下来，研究人员使用二量子位量子算法展示了控制器的良好的可编程性，可编程性试验使用了量子算法中最简单有效的算法之一：德奇-乔萨算法。

德奇-乔萨算法（Deutsch-Jozsa algorithm），由著名牛津大学物理学家、量子计算领域开拓者之一、最新物理理论建构体理论提出者、戴维·德奇（David Deutsch），和著名剑桥大学数学家、量子信息科学先驱、量子隐形传态的发明者之一、理查德·乔萨（Richard Jozsa），于1992年提出。它代表量子算法的第一个突破性示例，比任何可能的确定性经典算法都快得多。

在德奇-乔萨算法中，给出一个黑匣子量子计算机，称为预言机（英语：Oracle Machine），用来研究决定型问题，它可以实现某些功能：

该函数将n位二进制值作为输入，并为每个此类值产生0或1作为输出。

该函数是恒定的，即在所有输出上为0、或在所有输出上为1，体现为在波的叠加原理中，波的波峰（或波谷）同时抵达同一地点的相长干涉（constructive interference）；或该函数是平衡的，即对于输入域的一半返回1，对于另一半返回0，体现为在波的叠加原理中，波的波峰与波谷相抵消之后振幅等于零的相消干涉（destructive interference）。然后，任务是确定函数是否通过使用预言机是恒定的或是平衡的。

该研究通过在两个量子比特的量子处理器上对许多基准测试协议以及德奇-乔萨算法进行编程，证明了控制芯片的功能及其良好的可编程性。

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研究人员表示：这些结果为通向完全集成的、可扩展的基于硅的小型化量子计算机开辟了道路。

参考：

http://phys.org/news/2021-05-quantum-cold-chips-qubits.htmlhttp://www.nature.com/articles/s41586-021-03469-4http://newsroom.intel.com/news/intel-introduces-horse-ridge-enable-commercially-viable-quantum-computers/#gs.lkj93l

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