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量子芯片是心脏，而支持系统与控制系统则是维持这颗心脏跳动、与之交互的“躯体”与“神经”

引言：量子计算机 ≠ 量子芯片

在上一章中，我们详细介绍了量子计算的核心——量子芯片的多种实现路径。然而，量子芯片仅仅是量子计算机中的一个核心部件。一台完整的量子计算机，是建立在量子芯片基础上的复杂运算机器，它需要解决两个关键问题：

1. 如何将运算任务转化为对量子芯片中量子比特的控制指令？
2. 如何从量子芯片上量子比特的量子态中提取出运算结果？

除此以外，量子计算机还需要提供能维持量子芯片运行的基本环境。以上这些都需要特殊的硬件系统来实现。本章将聚焦于超导量子芯片与半导体量子芯片这两种主流体系，详细介绍它们所需的量子计算机硬件，主要包括：

• 量子芯片支持系统：提供量子芯片所必需的运行环境
• 量子计算机控制系统：实现对量子芯片的控制，以完成运算过程并获得运算结果

一、量子芯片支持系统：为量子比特创造“纯净世界”

超导量子芯片和半导体量子芯片对运行环境的需求类似，最基本的要求是接近绝对零度的极低温环境。原因在于：两种体系的量子比特能级基本都在GHz频段，该频段内的热噪声对应的噪声温度约在300 mK以上。为了抑制环境噪声，必须使量子芯片工作在远低于其能级对应的热噪声温度。

1.1 稀释制冷机：极低温环境的来源

稀释制冷机能够提供量子芯片所需的工作温度和环境。利用³He/⁴He混合气实现稀释致冷，稀释制冷机能够将量子芯片冷却到10 mK以下的极低温。图展示了IBM用于容纳50位量子芯片的稀释制冷机——在2018年IBM’s inaugural Index 开发者大会上，IBM展示的“50位量子计算机原型机”，实际上就是维持50位量子芯片运行的稀释制冷机以及其内部的线路构造。

除了稀释制冷机本身，研究人员需要花费大量精力设计、改造、优化其内部的控制线路与屏蔽装置，以全面抑制可能造成量子芯片性能下降的噪声因素。其中最主要的三点是：热噪声、环境电磁辐射噪声以及控制线路带来的噪声。

1.2 热噪声抑制：热沉与封装

抑制热噪声的主要方式，是在稀释制冷机的基础上，为量子芯片设计能迅速带走热量的热沉装置，该装置需要兼容量子芯片的封装。图展示了包含多种热沉结构的量子芯片封装照片，包含半导体量子芯片以及超导量子芯片，其中热沉主要使用了无氧紫铜材料。

1.3 环境电磁辐射噪声：红外屏蔽与磁屏蔽

环境电磁辐射噪声是较难控制的环境干扰，可分为电场辐射和磁场辐射：

• 电场辐射主要来自稀释制冷机中更高温层的红外辐射，其频段和量子比特的能级相仿，会加速量子比特的弛豫过程。图展示了伯克利大学Sidiqqi研究组使用的一种红外辐射屏蔽技术：他们设计了用于包裹量子芯片的屏蔽桶，并在桶的内壁使用了一种黑色的特殊涂层，用于增强对红外辐射的吸收。

• 磁场辐射来源复杂，包括地磁场、带磁元件的剩磁、控制电流引发的磁场等，它们会干扰量子比特的能级，破坏量子芯片的相干时间。

1.4 控制线路噪声：低温滤波与衰减

（Flux offset source-磁通偏置源，Flux pulse source-磁通脉冲源，Qubit drive source-量子比特驱动源，Readout source-测量源，Readout detection-测量探测RC filter-RC滤波器，Cu powder-铜粉滤波器，LPF-低通滤波器，Bias-tee-一种电阻器件，XY-control-XY控制线，Z-control-Z控制线，Readout in-测量输入，Readout out-测量输出，Circulator-环形器，J-Amp-约瑟夫森量子参量放大器，HEMT-高电子迁移率放大器，Package-封装，Shield-屏蔽，Superconducting quantum chip-超导量子芯片）
控制线路携带的噪声主要由热效应引起。量子芯片工作环境的特殊性在于：从量子计算机控制系统发出的控制信号，要从稀释制冷机接入，经过漫长的低温线路，最后到达量子芯片。热噪声近似和温度成正比，从室温（约300 K）传入的噪声相比量子比特能级对应的噪声温度（约300 mK）相差了近1000倍。这么大的噪声如果直接到达维持在10 mK温度的量子芯片，会直接破坏量子比特的量子相干性。

解决办法是：

• 尽可能地抑制从室温传入的信号，使噪声降至和量子芯片的工作温度一个级别
• 设法将除控制信号以外的所有其他频段的无关信号一并滤除

这些是通过各类特种低温滤波器实现的。图展示了适用于超导量子芯片的量子芯片支持系统中极低温控制线路的设置，包含RC滤波器、铜粉滤波器、低通滤波器、环形器、约瑟夫森量子参量放大器等多种组件。

二、量子计算机控制系统：从指令到结果的桥梁

量子计算机控制系统提供以下两个关键问题的解决方案：

• 如何将运算任务转化为对量子芯片中量子比特的控制指令？
• 如何从量子芯片上量子比特的量子态中提取出运算结果？
  

其背后的基础是：如何实施量子逻辑门操作，以及如何实施量子比特读取。图展示了量子计算机控制系统的工作原理。

2.1 量子逻辑门操作：脉冲信号的精密调控

量子逻辑门操作的本质是使一组量子比特经过指定的受控量子演化过程。例如，使量子比特从基态（|0⟩态）到激发态（|1⟩态），可以借助一个单量子比特π门来实现。实施这样的受控量子演化过程，需要借助精密的脉冲信号，通常可以使用高速任意波形发生器、商用微波源、混频线路等的组合来实现。

通过对光场、磁场甚至机械声波的调控，也可以在某些量子芯片体系中实现量子逻辑门操作。商用设备的性能越高，越容易实现高保真度的量子逻辑门操作——当然，前提是量子比特的质量可靠。图展示了微波源相位噪声对操作保真度的影响。

2.2 量子态读取：非破坏性测量

量子态的读取有多种方式，但考虑到需要读取量子芯片中某个或者某组量子比特的量子态，必须使用一种称之为非破坏性测量的方式，以消除因测量导致的反作用。通常的方法是在量子比特结构旁边额外设计一个对量子态敏感的探测器，间接地通过探测探测器的响应来推测量子比特的量子态。

（QPC-量子点接触，量子比特的电学测量通道，Nb-铌，Sapphire-蓝宝石，Bias-tee-一种名为bias-tee的电学器件，L/LP/C/RP/R/N-图中各个电极的编号，不需要翻译，Dc-直流，L-电感，Cp-下标为p的电容）

是一个半导体量子芯片以及其探测器结构。该探测器为一个RF探测器，通过该探测器的指定频率的微波信号会随着半导体量子芯片中电子状态变化，进而能从RF探测器的信号中计算出量子比特的量子态变化。捕获RF探测器信号的装置通常为网络分析仪或者高速数字采集卡。

2.3 集成化控制系统的发展

随着量子芯片集成度的提高，纯粹采用商用仪器搭建量子芯片的控制与读取系统的方法弊端日益显现：商用仪器成本昂贵、功能冗余、兼容性差、难以集成。为量子计算机专门设计并研制适用的量子计算机控制系统，成为必然选择。

以下是近年来量子计算机控制系统研发的重要里程碑：

时间	研发机构	进展
2016	苏黎世仪器 + QuTech	研制出可用于7位超导量子芯片工作的集成测控系统，最高可扩展至64通道AWG及同步高速ADC采集通道
2017	是德科技	自主研发100通道量子芯片测控系统，具备百ps级系统同步性能与百ns级量子芯片信号实时处理能力，最高可用于20位超导量子芯片完整运行
2018	本源量子	研制出40通道量子芯片测控系统，可应用于8位超导量子芯片或2位半导体量子芯片，是国内第一套完整的量子计算机控制系统（图）

除此之外，加州大学-圣塔芭芭拉分校、苏黎世理工学院、中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室、Raytheon BBN Technologies公司等都有自主研发的量子计算机控制系统或者模块。

2.4 未来趋势：极低温控制系统

为了降低功耗，提高信号质量，代尔夫特理工大学和悉尼大学的研究团队开展了4K到100mK温度的极低温量子计算机控制系统的研究。图展示了极低温量子计算机控制系统的设计概念图，其核心理念是将部分控制电路移入低温环境，以缩短控制信号传输距离、降低热噪声、提高系统集成度。

三、总结：从芯片到系统的完整图景

系统层级	组成部分	核心功能	关键技术
量子芯片	超导/半导体量子比特	量子信息载体	约瑟夫森结、门控量子点、自旋操控
支持系统	稀释制冷机、热沉、屏蔽、滤波器	提供极低温、低噪声环境	³He/⁴He致冷、红外屏蔽、磁屏蔽、低温滤波
控制系统	任意波形发生器、微波源、采集卡	生成控制脉冲、读取量子态	高精度脉冲合成、非破坏性测量、实时处理

量子计算机的硬件系统是一个多层级、跨温区的复杂工程系统。从室温的控制系统到10 mK的量子芯片，每一层都面临独特的物理挑战。随着量子比特数量的增加，控制系统的集成化、低温化成为必然趋势。

量子芯片是“心脏”，而支持系统与控制系统则是维持这颗心脏跳动、与之交互的“躯体”与“神经”。三者协同，才能构成一台完整的量子计算机。

思考题

1. 为什么量子芯片需要工作在极低温环境？如果温度升高，会对量子比特产生什么影响？
2. 控制线路从室温传入的噪声与量子芯片工作温度的温差近1000倍，这对量子相干性意味着什么？
3. 什么是“非破坏性测量”？为什么量子态读取需要采用这种方式？

欢迎在评论区分享你的思考和见解！

参考： IBM, QuTech, 本源量子等公司资料