微軟與澳洲雪梨大學共同開發量子電腦低溫控制晶片 Gooseberry 解決多種量子運算 I/O 問題

微軟與澳洲雪梨大學本月在《Nature Electronics》期刊發表一篇論文，公開雙方合作研發的一項量子電腦專用的低溫控制晶片 (cryogenic control chip)，名為 Gooseberry 以及子系統。

這篇論文探討一般必須在稀釋製冷器近零 (near-zero, K) 溫度下環境下如何有效控制量子位元 (qubit)。

現有量子連結方式風險高

現今作法是從容納控制電路的室溫環境下，將同軸線纜塞入稀釋製冷器的量子處理器，以便將線纜連結每個量子位元。這種方法十分不靈活且具高風險。Google 的量子運算裝置就是在展現量子優越性 (quantum supremacy) 時，使 54 個量子位元少了一個，此外也限制了量子電腦的擴充性。

在頂級 NISQ（Noisy Intermediate Scale Quantum，雜訊中等規模量子）電腦中使用 50 個左右的量子位元是很厲害，但以數百、數千或更多條線纜成完全錯誤修正 (error-corrected) 的量子電腦也極其困難。微軟不是唯一一家試圖生產低溫控制晶片的公司。英爾也曾利用自有 CMOS 量子點自旋的量子位元技術開發一款晶片，叫 Horse Ridge 2。

微軟採用 CMOS 技術避免破壞量子態

微軟也是採用 CMOS 技術，認為更有助於擴充系統。此外研究人員還設計有效的散熱方式，使 CMOS 晶片可以接近量子位元（量子晶片）而不會破壞攸關量子運算、十分脆弱的量子態。微軟在 CMOS 矽量子點處理測試這塊晶片。它研究了多種量子技術，最後以馬約拉納費米子 (Majorana fermions) 為基礎的拓撲量子位元效果最好。如果成功，將可解決許多錯誤修正的問題。

研究人員指出，其 CMOS 晶片為 2.5mmx 2.5mm 大的整合迴路，上有 10 萬顆電晶片。它的序列周邊介面 (SPI) 有 4 條室溫下連結的低頻寬線路，這個 SPI 將對晶片發送數位指令（輸入訊號）。處理這個輸入訊號的是晶片上的有限狀態機 (finite state machine, FSM) 的數位邏輯，它會組態 32 個類比區塊 (analog block)，每個區塊都可用來控制量子的單一閘極。這些類比電路區塊（又稱 charge-lock fast-gate, CLFG）在低溫下使用電晶體來儲存並重組浮動電容間的電荷以產生電壓訊號來控制量子位元。

控制這平台的晶片名為 Gooseberry，可解決多種量子電腦的 I/O 問題，可在 100mK 溫度下控制量子電腦，同時排出很少的熱能，使其不超過市售研究製冷器的冷卻溫度。這可解決將數千條線纜塞入製冷室這最令人頭痛的問題。

和直接連結室溫或以線纜連到 4K 溫度作法相較，在晶片電容間搬動儲存的電荷不僅耗電較少，每一 CLFG cell 體積也更小，僅 100 微米 x 100 微米。結果是 CMOS 技術的複雜電路可以在近 100mK 溫度運作，提供控制大量量子位元的可擴充平台，以實現量子應用。

微軟研究主管 Chetan Nayak 指出，微軟採取的研究策略是以大量量子位元來實作量子電腦，控制大量量子位元更困難，即使還要好幾年才會出現數千量子位元的裝置。

量子位元的控制是打造量子電腦的棘手障礙。微軟和英特爾的成就相當重要。許多人認為這將可把系統推升到數百萬量子位元，進而實作出更實用的量子運算。IBM 也正努力開發 10 呎 x6 呎 (304 公分 x182 公分) 的「超級製冷器」來容納具 100 萬量子位元的電腦。

來源：HPCwire