量子调控里程碑！SEEQC新推低温数字芯片

光子盒研究院出品

2023年3月16日，美国量子计算机初创公司SEEQC推出了一系列高速、节能的单通量量子 (SFQ) 数字芯片，能够在与量子比特相同的低温下，运行量子计算机的所有核心控制器功能。这些芯片还与量子比特完全集成——这是构建可扩展容错量子计算机和数据中心的一个重要里程碑。

SEEQC将关键管理功能集成在芯片上，提供了更高水平的规模、速度和成本效益

由于量子芯片的运行需要在极低的温度下才可以实现，通常，需要复杂的模拟布线来在量子比特和室温控制系统之间传输精细的量子比特信号，这导致信号极易因布线缺陷而失真。同时，这也是一个极其复杂且难以扩展的系统。

SEEQC的有源多芯片模块架构解决了这一问题。SEEQC的数字芯片技术利用高能效超导SFQ逻辑，运行速度高达40 GHz，可以实现经典的量子比特控制、测量、多路复用和数据处理。同时，由于它们的低能量需求，SEEQC的超导SFQ电路可以以集成多芯片模块的形式在 20 毫开尔文温度下工作，从而避免将数据从毫开尔文温度发送到室温并再返回的路径，并且减少了系统延迟。

“我们决定从头开始，而不是基于现有原型设计扩展量子计算系统。开发一种基于单通量量子芯片的全新架构，将使我们能够构建容错量子计算机所需的量子计算机控制系统。并且只有将所有功能整合到高性能芯片中，我们才能根据数据中心的要求扩展节能量子系统。”

——SEEQC的首席技术官兼联合创始人Oleg Mukhanov博士

此外，使用SEEQC的芯片将消除几乎所有对于与量子芯片互连的昂贵室温电子设备机架的需要，这将使量子计算机的成本和复杂性显著降低几个数量级。通过在多芯片模块中，将所有功能元件放置在与量子芯片集成的超快速数字SFQ经典芯片上，芯片之间的数据处理延迟和传输速率将大大降低，这将实现比目前现有技术更快、质量更高的量子比特读取和重置，而这是应用和实现容错量子计算机的重要特征。

现有的量子计算机每个量子比特需要多达3根电缆，承载敏感的模拟信号，这大大限制了大规模系统中高比率多路复用的能力。这也意味着未来大型量子计算机将需要数百万根电缆在整个系统中传输电力，并且这些电缆本身也是一个持续的热源，必须通过稀释制冷机散热。

相比之下，SEEQC已成功测试其数字多路复用技术，该技术仅需2条线即可控制8量子比特模块，且目前正在制造控制多达64量子比特的版本，这大大降低了成本、简化了量子计算机的底层复杂性。

此次，该公司还发布了 SEEQC System Red——这是一个全栈量子计算系统，作为基准测试其新 SFQ 芯片的性能和功能而构建。SEEQC Red 是该公司的第一代参考级量子计算机系统——SEEQC 是全球仅有的八家发布此类系统的公司之一。SEEQC Red 的架构旨在模拟具有传统室温模拟控制和读出功能的当前一代超导体量子计算系统，使该公司能够与其基于数字 SFQ 芯片的下一代量子计算机进行直接 AB 比较。借助 SEEQC Red，该公司实现了 39ns 的平均 2 量子比特门速度和 98.4% 的平均门保真度，这是在云端运行的最佳公开可用量子系统之一。

SEEQC 联合创始人兼首席产品官 Matthew Hutchings 表示：“与云上可用的通用量子计算系统相比，我们的系统的错误率比竞争系统低四倍。”

“SEEQC Red 在公开可用的量子云服务上可用的任何系统上提供了最快的本机双量子比特其他系统专注于更大数量的量子b比特它的选通门。，而 SEEQC 的系统专注于质量和速度。速度比竞争对手快 10 倍，同时提供的选通保真度可与当前可用的量子云平台上可用的最先进系统相媲美。”

SEEQC Red 利用公司专有的量子计算平台，整合了云门户、软件和固件包。该平台允许用户访问该参考系统以运行任何通用应用程序或算法。

“SEEQC 的使命是为数据中心提供可扩展、节能的量子计算，我们的方法是通过读出、控制、多路复用、纠错和经典数据处理等关键功能的数字芯片级集成。我们今天宣布的两项重大技术进步代表了整个量子计算行业在这一使命中取得的重要进展，”SEEQC 联合创始人兼首席执行官 John Levy 说。

“到 2023 年，我们期待在下一代 SEEQC 量子计算机中用我们的数字 SFQ 芯片取代传统的室温电子设备，这也将是我们朝着实现能够支持的可扩展、节能量子系统的工作迈出的重要一步基于芯片的纠错。”

SEEQC公司表示，低温芯片的技术可以使未来构建更强大的量子计算机成为可能，目前这种基于硅晶片的芯片已经能够实现生产制造。该公司还在开发另外两种适应不同低温的芯片。

经第一财经记者采访，国盾量子调控技术部负责人王哲辉表示：“应当区分，此类低温芯片不是严格意义上的量子芯片，而是量子调控芯片，是一种基于调控技术的专用低温测控芯片，用来操控量子计算芯片。”

量子调控技术可以简单理解为过去的系统级的调控设备被做成了集成芯片，低温区的量子调控芯片具有性能、集成度以及防漏热等方面的优势，但挑战也非常大，是目前全球技术公司正在攻克的难点。低温调控芯片主要有两种主要实现路径，一种是被称为CMOS的技术，另一种是SFQ技术，其中CMOS是半导体行业成熟的金属氧化物半导体工艺，SFQ是一种被称为“单磁通量子比特”的新兴技术，SEEQC使用的正是SFQ技术路径。

SFQ是与量子计算芯片同源的新技术，在国外发展比较早，能完成很多与CMOS工艺类似的功能，但目前还不成熟，要做到与CMOS同级别复杂度的芯片比较难。”

“国内有一些团队也在研发这种技术。低温芯片的终极目标是要取代室温系统，这是由于室温系统体积和功耗都很大、成本也很高，而且还有海量的非超导信号线从室温连接到低温，这会使得制冷机中各温区漏热严重，无法正常降温。”

业内认为，低温调控芯片与目前已经商业化的室温芯片组合集成是未来实现量子计算机广泛应用的一个重要途径。

SEEQC结合了经典和量子技术来解决量子计算系统特有的效率、稳定性和成本问题。该公司通过数字读出和控制技术以及独特的芯片级架构应用经典和量子技术。同时，SEEQC的量子系统提供了第一个可商业扩展、针对特定问题的量子计算应用程序推向市场所需的能源和成本效率、速度和数字控制系统。

参考链接：

[1]https://economictimes.indiatimes.com/tech/technology/quantum-computer-startup-seeqc-unveils-digital-chip-that-operates-at-super-cold-temp/articleshow/98669951.cms

[2]https://thequantuminsider.com/2023/03/16/seeqc-unveils-first-fully-digital-chips-for-full-stack-quantum-computers/

[3]https://m.yicai.com/news/101703732.html