科研进展 | 清华大学段路明课题组：用于大规模超导量子计算的低温片上微波脉冲发生器

在当前的超导量子计算机中，超导量子比特的操作和读取需要将在室温生成的微波信号传输到装载在稀释制冷机中的量子芯片（毫开尔文环境）。这种方法可以支持数千个量子比特量级规模的集成，但受限于成本和热负载很难进一步扩展。将微波电子测控模块与量子比特进行片上集成是当前扩展量子比特数目的一种有前景的方法。替代了微波传输线束和连接器，集成在量子芯片上的微波电子测控模块可以有效减少系统的物理尺寸和热负载，还将提供一些系统优势，包括更低的通信延迟、更高的IO可靠性以及更好的信号扇入/扇出。

7月16日，清华大学交叉信息研究院段路明课题组在《Nature Communications》期刊上发表题为“A cryogenic on-chip microwave pulse generator for large-scale superconducting quantum computing”（用于大规模超导量子计算的低温片上微波脉冲发生器）的研究论文，清华大学交叉信息研究院2018级博士生鲍增晖、2020级博士生李严为论文共同第一作者，段路明院士、张宏毅副研究员为论文共同通讯作者，其他作者分别为王志凌、王家辉、杨济泽、熊昊楠、宋祎璞研究员、吴宇恺助理教授。

受限于装载量子芯片的稀释制冷机有限的冷却能力，这种集成的实现需要能工作于低温环境且热负载极小的相干微波脉冲发生器。在之前的工作中，有研究组利用低温互补金属氧化物半导体（CMOS）电路或光子链路来提升量子比特系统的扩展性。然而，由于其较大的主动热负荷，这些器件很难与超导量子比特进行单片集成。而超导电子器件，例如单磁通量子（SFQ）器件，虽然可以在毫开尔文环境下运行，但会给超导量子比特引入有害的准粒子激发；约瑟夫森结激光器可以生成高质量连续波微波信号，但由于缺乏全波形生成能力，不足以用于量子比特控制。能用于低温控制超导量子比特且兼容单片集成的相干微波信号源仍然是一个难以实现的目标。

在本文中，段路明团队首次在超导量子线路中发现了一种从真空中产生相干微波光子的过程。通过对嵌入超导谐振器中的超导量子干涉仪（SQUID）的磁通进行数字化控制，产生的微波光子脉冲可以方便地调控相位、强度和频率。得益于其优异的相干性，微波脉冲可以方便地叠加以产生更加多样化的微波波形，与之前在低温环境中工作的微波光子源相比，具有明显的优势。此外，用于驱动微波源的类数字信号可以通过低带宽通道传输，例如双绞线，相比于当今技术中常使用的同轴电缆可以进一步降低其被动热负荷。实验中，研究人员展示了使用此微波脉冲发生器进行高保真度的量子比特状态读取。该器件结构简单、可扩展性强，并与超导量子线路兼容，有利于实现微波电子测控模块和超导量子比特在低温环境下的单片集成，从而为超导量子计算机的大规模扩展提供重要基础。

理论方法

在低温环境中直接产生微波脉冲的核心在于利用嵌入超导量子干涉仪的共面波导（coplanar waveguide，CPW）谐振器中。SQUID是一种能够感应磁通变化的超导装置，穿过SQUID的磁通会周期性地改变谐振器的有效电感，进而改变谐振器的频率。已经证实，通过快速调制谐振器频率，能够从初始真空产生关联光子对。这一过程可以归因于动力学卡西米尔效应（dynamical Casimir effect），或者更一般地说，量子真空放大（quantum vacuum amplification）。为了描述这一过程，研究团队提出了一个简化的物理模型，其描述了磁通突变产生的光子，从而得到一个有效的修改希尔伯特空间。

实验方法

在实验中，谐振器由置于蓝宝石衬底上的铝薄膜制成，SQUID嵌入在基频模式的电场节点处。SQUID由两个面积不同的约瑟夫森结并联组成。通过在附近的磁通线上施加电流，可以在SQUID上产生磁通。当磁通穿过相邻周期的边界时，由于SQUID的强非线性，预计会产生显著的位移，从而产生大量的光子。

在稀释制冷机中，将谐振器冷却至约10毫开尔文。首先，通过在SQUID上施加阶跃磁场，使得最终磁通固定在图2c所示的左频率分支，同时在较宽的范围内扫描初始磁通。如果阶跃磁通变化跨越半磁通量子的奇数倍，就可以在CPW谐振器中产生大量微波光子，随后这些光子会泄漏到传输线中。

实验中，研究人员观察到微波光子数随着初始磁通的变化而变化，这一现象在图2e中得到了明确的展示。通过调整谐振器的谐振频率，可以控制微波脉冲的频率。图2g展示了通过固定初始磁通并扫描最终磁通，微波脉冲的频率可以连续调节超过200兆赫。

为了实现微波脉冲的相位和频率的精确控制，研究者们引入了数字信号驱动的微波源。这种数字信号可以通过带宽较低的通道（如双绞线）传输，其被动热负载远低于当前技术中使用的同轴电缆。此外，研究者们还展示了使用微波脉冲发生器进行高保真度量子比特状态读取的能力。通过在超导谐振器中准备微波脉冲，并将它们发送到与超导量子比特耦合的传输线，可以测量量子比特状态依赖的谐振器响应。

在实验中，研究者们还展示了通过调控磁通变化率来控制微波脉冲的光子数和频率。通过优化设备参数和增加磁通变化率，可以在单个微波脉冲中产生约1000个光子。此外，通过增加信号源到外部电路的耦合率，可以更快地泄漏生成的微波光子，从而实现更强的发射功率。

这种低温微波脉冲发生器的设计和实现，不仅展示了其在量子计算中的潜在应用，也为未来的量子信息处理技术提供了新的可能性。通过这种技术，可以实现对量子比特的精确操作和读取，为大规模量子计算的发展奠定了基础。

该项目得到了科技创新2030—“量子通信与量子计算机”重大项目（2021ZD0301704），清华大学自主科研计划、教育部和国家自然科学基金（项目编号12374472和92165209）的资助与支持。

图1：当前超导量子计算机结构和可扩展超导量子计算机设计。

图2：相干微波脉冲发生器及其主要实验结果。

图3：叠加微波发射及其主要实验结果。

图4：量子比特读取与低温脉冲发生器。

主要研究人员

段路明，中国科学院院士，清华大学姚期智讲座教授、基础科学讲席教授研究方向为离子与超导量子计算、量子网络、量子模拟、量子人工智能。段路明教授完成了量子信息领域一些开创性的工作，提出实现长距离量子通信网络的量子中继方案，被国际同行誉为“DLCZ”（Duan-Lukin-Cirac-Zoller）方案，为该领域的奠基性方案。段教授提出通过量子网络互联进行规模化量子计算的方案，为近期离子阱量子计算机的规模化发展奠定了理论基础，并受邀在物理学权威期刊《现代物理评论》上撰写此方向的综述。

张宏毅，清华大学交叉信息研究院副研究员，研究方向为超导量子信息处理，微波量子光学和量子器件。

宋祎璞，清华大学交叉信息研究院研究员，研究方向为超导量子计算。

吴宇恺，清华大学交叉信息研究院助理教授，研究方向包括量子计算的物理实现、量子信息。

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