本源量子

工作在量子与经典交互面的元件——低温带通滤波器

发布时间:2018-12-12 09:30:01

与传统计算机CPU不一样的是,量子计算机的量子CPU需要极端苛刻的工作条件。

目前,大部分主流的量子计算机体系,其量子CPU(诸如半导体量子芯片、超导量子芯片等),均需要工作在接近绝对零度的极低温环境下。能够提供这样工作环境的只有稀释制冷机了。IBM前段时间在公众面前展示的所谓“50位量子计算机”,实际上就是一台能够容纳50位量子芯片的稀释制冷机。而真实运行的量子计算机,远比展示的机械结构图复杂。

为了给稀释制冷机中的量子芯片提供控制信号,我们必须对稀释制冷机的内部线路进行深度改造,引入大量低温电子器件用于抑制信号噪声,同时还得考虑引入的器件带来的附加影响。要做到这一切,需要掌握大量的低温物理以及模拟电路经验。

图1 (左图)IBM用于搭建量子计算机的稀释制冷机、(右图)本源量子用于搭建量子计算机的稀释制冷机

目前国际上仅有极少数提供低温电子器件的商用公司,他们的产品目录匮乏,显然无法满足量子计算机的研制需要。本源量子作为国内首家致力于研制量子计算机的公司,研发适用于量子计算机的低温电子器件自然成为我们重点研发目标之一。

本源量子成立了量子测控部低温电子器件长期项目组。目前本源量子低温电子器件研发范围主要包括环形器、功分器、滤波器、Bias-Tee、低噪声放大器等产品,这些放置于稀释制冷机中的低温电子器件构成了量子芯片与量子计算机控制系统的交互面,负责量子信息与经典信息的相互传递。未来,我们还会开发出更多的系列,全面填补适用于量子计算的低温电子器件研发领域的相关空白。

图2  本源量子低温电子器件业务分布

本次主要介绍的是本源量子研发的低温带通滤波器。对于量子计算机来说,任意无关信号都会对量子芯片上正在处理的运算过程带来干扰。因此,我们最需要的是高性能的窄带带通滤波器。更具体地,工作在4-8GHz频段内,通带带宽<500MHz的滤波器是我们的首选。除了基本的频段要求以外,我们还需要滤波器能够和量子芯片一样工作在接近绝对零度的环境下,因此滤波器必须具有足够小的功耗和足够好的散热性能。除此之外,我们还需要考虑到温度引起的参数波动、器件体积、可集成性、是否具有磁性等具体需要。

图3  本源量子低温带通滤波器

目前本源量子已经研制出多款同族带通滤波器,相关产品技术规格对比如下表。该系列产品具有高阻带抑制(>50dB)以及极低的VSWR(<1.1),这使得应用该系列滤波器能够有效地提高输送给量子芯片的信号质量。尤其是电压驻波比VSWR指标,超过了绝大多数商用器件的标准(典型>1.3),这意味着有效信号的恶化得以大幅改善。本源量子的该系列滤波器支持用户需求定制,能够满足灵活指定的指标和通道需求。

研制适用于量子计算机的低温电子器件,需要大量低温测试数据的支持。目前绝大多数元件的物理建模仅覆盖了-55℃至100℃范围内。为了研制工作在接近绝对零度,可靠的低温电子器件,扩展物理建模的温度范围是至关重要的。本源量子与中国科学技术大学微电子学院研究团队合作,在国内首次将基本元件的建模范围拓展至300mK左右(-272.85℃左右)范围,相关工作已发表在arXiv上,欢迎各位了解学习。

https://arxiv.org/abs/1811.11497以及https://arxiv.org/abs/1811.12632

带通滤波器相关产品技术资料请移步至本源量子官网查看:

http://originqc.com.cn/website/productDetail.html?id=183&bannerId=94