超导量子计算Z门波形实时生成方法

针对现阶段超导量子计算机中控制波形生成速度不满足未来实时反馈系统要求的问题,文中设计一种实时的Z量子门控制波形生成电路,并对其中的高斯误差函数提出一种分段拟合和查找表相结合的硬件实现方法。相比于传统方法,该方法在满足速度、精度要求的情况下,能够有效减少资源消耗。在Xilinx公司ZYNQ7000系列FPGA(可编程逻辑门阵列,Field Programmable Gate Array)上完成Z量子门控制波形电路的硬件实现和性能测试。结果表明文中设计的电路能够在5微秒时间内生成Z量子门控制波形,满足未来超导量子计算实时反馈系统的要求。

总线制8量子比特超导量子计算芯片设计与仿真

为了完成Shor算法这类量子计算,需要更多的量子比特参与,同时需要延长量子比特的退相干时间,实现对量子比特更精准的调控。基于对以上要求的综合考虑,Xmon量子比特是一种目前最优的选择。设计了一个以Xmon为计算单元的总线制的8量子比特超导计算芯片,可以实现任意两个量子比特之间的耦合操作。首先根据实验基础设计量子比特与共面波导谐振腔的工作频率、量子比特的非谐性和谐振腔的品质因子。用Matlab软件仿真量子比特的能级,得到约瑟夫森能与电容充电能。其中约瑟夫森能的大小由约瑟夫森结的氧化时间长短控制,电容充电能则主要由Xmon的十字电容决定。由以上参数能够计算出量子比特与谐振腔的耦合强度与耦合电容,谐振腔的物理长度可以根据耦合电容的物理尺寸进行调节。然后根据不同的衬底工艺使用不同线宽以满足输入阻抗匹配的要求。使用Ledit绘图软件将以上物理尺寸表现在版图上。取出谐振腔的部分用HFSS软件仿真并调节其频率及品质因子,达到设计要求。量子比特的工作频率在测试时通过输入电流来调控。通过绘图与仿真,完成了一个可用于实验室加工制造并测试的总线制超导量子计算芯片版图。在此基础上,还设计了一种可以降低管脚数量的控制复用方案,为最终实现量子计算打下了一定基础。

超导量子计算任意波形发生器输出一致性校准的设计与实现

超导量子计算中量子比特的控制是通过实验室自主研发的任意波形发生器(AWG)实现的。为实现高保真度量子门操控,需要对AWG参数进行标定使得各通道输出具有一致性。本文为超导量子计算集成测控系统设计了AWG输出一致性校准,包括增益校准和偏置校准。该校准采用LabRAD框架,满足了校准任务的并行和可扩展性要求;通过分析码值与电压的关系,实现了高效精确的校准,比如将所有AWG通道的增益参数误差校准到10-3,偏置参数误差校准到10-6,满足了高保真度量子操控对AWG的精度要求。校准后测得各通道的电压-码值曲线基本重合,误差在10-4,能够满足超导量子计算中AWG的输出一致性要求。

超导量子计算机信号总线互连技术进展

高密度光电互连系统作为超导量子计算机的核心组成部分,为了避免禁运风险,掌握关键技术,国内相关单位也启动研制代替产品。本文介绍了高密度微波互连系统产品的国内外进展,结合中国电科8所(安徽省量子信息高密度光电互连工程研究中心)自主创新成果,从结构、性能等方面探讨了三代高密度信号总线方案,提出了未来超导量子计算机高密度微波互连系统的发展方向,为尽快缩小与国外超导量子计算机的差距提供信号总线互连技术的支撑。

超导量子计算云平台

量子计算云平台将量子计算机以分时服务的形式通过互联网向用户开放,降低了量子计算资源的获取门槛,提高了量子计算资源的利用率,是连接量子计算科研机构和外界用户之间的纽带,对量子计算机的普及以及应用生态的培养起到了重要的推动作用,是未来量子计算机走向应用的一种重要且有效的运行形式。文章从超导量子计算云平台的概念、运行原理、组成部分、发展历史和现状、未来的发展趋势和困难等角度进行简要介绍,便于大家对这一新生事物有更多的了解。

面向超导量子器件的封装集成技术

超导量子比特因其半导体工艺兼容性强,可扩展潜力大,易于操控、读出与耦合,是现阶段最有希望实现可扩展通用量子计算机的技术路线之一。然而,通用量子计算的实现需要百万量级的超导量子比特作为硬件基础,因此相应的封装架构需要在可扩展特性、超导材料体系、低损耗电互连、量子比特兼容性、电磁环境优化等方面进行新的探索。分析了传统引线键合在大规模集成过程中遇到的主要技术瓶颈;介绍了面向超导量子器件开发的一系列特殊互连架构,对其优势和局限性进行了探讨;详细讨论了集成电路领域先进封装技术在超导量子器件中的兼容性问题,主要涵盖倒装键合、硅通孔及系统集成方案3个方面,并对上述封装技术的发展趋势进行了展望。

浅谈超导量子比特封装与互连技术的研究进展

基于超导量子电路的量子计算技术已经在退相干时间、量子态操控和读取、量子比特间可控耦合、中大规模扩展等关键技术上取得大量突破,成为构建通用量子计算机和量子模拟机最有前途的候选技术路线之一。在介绍超导量子比特原理的基础上,结合自主创新成果,对国内外超导量子比特封装与互连技术的发展进行评价,并重点探讨了超导量子比特三维集成封装解决方案以及与外部稀释制冷机测控线路的高密度互连方案,为尽快缩小与国外超导量子计算机的差距提供超导量子比特封装与互连技术支撑。

量子计算机研究进展

量子计算机是未来量子技术时代最具颠覆性的技术,文中将以量子计算机的诞生、工作原理和在世界范围内的发展现状为主要阐述内容。目前阶段,量子计算机的研制已从以院校、研究所的基础性研究为主体的阶段,过渡到以公司企业为主要研发驱动力的阶段,并开始逐渐进入到“量子霸权”的发展新阶段,当然,目前的量子计算机还比较初级,离可破解密码的通用量子计算机还有很长的路要走。

约瑟夫森效应与超导量子电路的基本物理原理

超导电路器件是为数不多的具有量子化能级、叠加态和纠缠等量子特性的宏观器件。这种具有宏观量子特性的器件为实现超导量子计算与组建超导量子计算机打下了硬件基础,2019年谷歌和2021年我国中国科技大学相继实现“量子霸权(Quantum supremacy)”极大地增加了人们在近期构建超导量子计算机的信心。了解超导量子计算有利于增加对物理学前沿发展方向的把握,对非物理专业的理工科背景读者开阔思路也有一定的好处。不同于经典的超导物理教材力图全面的特点,本文根据超导量子计算物理特征和理解超导量子计算的知识背景要求介绍超导量子电路的核心物理原理,力图化简计算推导难度,突出物理图景,以期对超导量子计算建立一个原理层面上的简洁物理图像。

超导量子比特谱

时间晶体的首次构造成功使人们意识到超导量子计算以其拥有的诸多优点在物理学前沿问题的研究应用上走在了其他量子计算方案的前面。作为“物理前沿介绍———超导量子计算”系列的第三篇,本文系统阐述多种超导量子比特的基本组成以及其物理特征,给出一个超导量子比特的“谱”并对新近发现的研究结论和新近提出的设计方案进行讨论,最后对超导量子比特全新设计进行展望并提出一种3D nSQUID设计设想。本文旨在帮助广大高校物理专业教师、高年级本科生、研究生以及对超导量子计算感兴趣的理工科背景读者系统了解不同的超导量子比特设计与特性,同时也有益于专业从事超导量子计算的专业科研人员开阔超导量子比特的设计思路。

量子计算研究现状与未来发展

量子计算乃至更为广泛的量子信息,是基于量子力学原理发展出来的概念与技术体系,涉及信息的本质及其处理。量子计算利用量子叠加、量子纠缠等资源进行信息编码和处理,已被证明在若干问题上具有相对于经典计算的极大优势,在实用化后将对信息及相关科技产生深远影响。本文概要回顾了量子计算的发展历史,如量子计算思想与概念的形成、重要理论及算法的发展以及应用情况;梳理总结了代表性的量子计算技术路线及其发展态势,如超导量子计算、分布式超导量子计算、光量子计算、囚禁离子量子计算、硅基量子计算及若干其他体系。着眼不同技术路线面临的共性问题,对我国量子计算领域未来发展提出建议:注重战略规划和布局,培养高水平研究团队,加强基础研究、核心技术、关键设备的自主研发。

超导量子芯片上磁场串扰抑制方法

量子计算机的算力是由量子比特的数量和单比特的保真度共同决定的。超导量子芯片可采用类似半导体芯片的工艺进行制备,因而在可扩展性方面具有天然的优势。随着量子比特数量的增加,超导量子芯片上的z控制线(磁场控制线)也随之增加,导致各个控制线间的磁场串扰增加,从而影响单比特的保真度,并进一步影响超导量子计算的算力。针对以上问题,通过对超导量子芯片建模仿真,提出利用导流结构降低控制线间的磁场串扰,其仿真结果显示引入导流结构后,控制线间的磁场串扰得到明显改善。该工作为进一步抑制超导量子芯片z控制线间的磁场串扰提供了基础。

以“玄”解“玄”,量子计算

从“悟空”催生大算力、光子跳出“霍尔舞步”,到大规模量子云算力集群、500+比特超导量子计算芯片的诞生,量子计算接连搞出“大新闻”。那么,量子计算到底有啥不一样?