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ISSCC 2024 - 量子技术集成电路
2 Google Quantum AI，加利福尼亚州戈利塔 超导量子处理器是最先进的量子计算技术之一。基于这些设备的系统已经实现了后经典计算 [1] 和量子纠错协议的概念验证执行 [2]。虽然其他量子比特技术采用自然产生的量子力学自由度来编码信息，但超导量子比特使用的自由度是在电路级定义的。当今最先进的超导量子处理器使用 transmon 量子比特，但这些只是丰富的超导量子比特之一；在考虑大规模量子计算机的系统级优化时，替代量子比特拓扑可能会证明是有利的。在这里，我们考虑对 Fluxonium 量子比特进行低温 CMOS 控制，这是最有前途的新兴超导量子比特之一。图 29.1.1 比较了 transmon 和 Fluxonium 量子比特。 transmon 是通过电容分流约瑟夫森结 (JJ) 实现的，是一种非线性 LC 谐振器，其谐振频率为 f 01，非谐性分别在 4-8GHz 和 200-300MHz 范围内。transmon 有限的非谐性约为 5%，限制了用于驱动量子比特 f 01 跃迁的 XY 信号的频谱内容，因为激发 f 12 跃迁会导致错误。以前的低温 CMOS 量子控制器通过直接 [3,4] 或 SSB 上变频 [5,6] 复杂基带或 IF 包络（例如，实施 DRAG 协议）生成光谱形状的控制脉冲；这些设备中高分辨率 DAC 的功耗和面积使用限制了它们的可扩展性。fluxonium 采用额外的约瑟夫森结堆栈作为大型分流电感。这样就可以实现 f 01 频率为 ~1GHz 或更低的量子比特，而其他所有跃迁频率都保持在高得多的频率（>3GHz，见图 29.1.1）[7]。与 transmon 相比，fluxonium 的频率较低且非谐性较高，因此可以直接生成低 GHz 频率控制信号，并放宽对其频谱内容的规范（但需要更先进的制造工艺）。在这里，我们利用这一点，展示了一种低功耗低温 CMOS 量子控制器，该控制器针对 Fluxonium 量子比特上的高保真门进行了优化。图 29.1.2 显示了 IC 的架构。它产生 1 至 255ns 的微波脉冲，具有带宽受限的矩形包络和 1GHz 范围内的载波频率。选择规格和架构是为了实现优于 0.5° 和 0.55% 的相位和积分振幅分辨率，将这些贡献限制在平均单量子比特门错误率的 0.005%。它以 f 01 的时钟运行，相位分辨率由 DLL 和相位插值器 (PI) 实现，而包络精度则由脉冲整形电路实现，该电路提供粗调振幅和微调脉冲持续时间（与传统控制器不同，使用固定持续时间和精细幅度控制）。数字控制器和序列器可播放多达 1024 步的门序列。图 29.1.2 还显示了相位生成电路的示意图。DLL 将这些信号通过等延迟反相器缓冲器 (EDIB) 后，比较来自电压控制延迟线 (VCDL) 的第一个和第 31 个抽头的信号。这会将 CLK[0] 和 CLK[30] 锁定在 180°，并生成 33 个极性交替的等延迟时钟信号。使用 CLK[30] 而不是 CLK[32] 来确保在 PFD 或 EDIB 不匹配的情况下实现全相位覆盖，这可能导致锁定角低于 180°。一对 32b 解复用器用于选择相邻的时钟信号（即 CLK[n] 和 CLK[n+1]），开关和 EDIB 网络用于驱动具有可选极性的 PI。 PI 单元由多路复用器和限流反相器组成。32 个单元并联组合，所选相位之间的权重由驱动多路复用器阵列的温度计编码的 31b 值设置（第 32 个反相器始终由 CLK[n] 驱动）。相位生成电路具有 11b 控制，可提供实现 0.5° 精度的裕度。图 29.1.3 显示了脉冲整形器原理图。它接收相移时钟并应用可编程幅度和持续时间的矩形包络。SW1 用于门控数字 CW 信号。然后，门控信号由一个电路缓冲和衰减，该电路由可变电阻器 R 0（16 个值，从 10 到 170kΩ）组成，通过 2:1 双调谐变压器连接到 50Ω 负载。该电路将可用功率降低了约 17 至 29dB，同时提供 50Ω 输出匹配并过滤脉冲频谱，为信号包络引入几纳秒的指数上升和下降时间，适用于大量子比特非谐性。R 0 、CP 和 CS 通过 SPI 总线进行编程，以进行静态预调谐。但是，提供了一个 0 至 18dB 衰减器电路，步长为 6dB，用于实时粗调幅度。输出端集成了 SW2，以提供额外的开-关隔离。PI 单元由多路复用器和限流反相器组成。32 个单元并联组合，所选相位之间的权重由驱动多路复用器阵列的温度计编码的 31b 值设置（第 32 个反相器始终由 CLK[n] 驱动）。相位生成电路具有 11b 控制，可提供实现 0.5° 精度的裕度。图 29.1.3 显示了脉冲整形器原理图。它接收相移时钟并应用可编程幅度和持续时间的矩形包络。SW1 用于门控数字 CW 信号。然后，门控信号由一个电路缓冲和衰减，该电路由可变电阻器 R 0（16 个值，从 10 到 170kΩ）组成，通过 2:1 双调谐变压器连接到 50Ω 负载。该电路将可用功率降低了约 17 至 29dB，同时提供 50Ω 输出匹配并过滤脉冲频谱，为信号包络引入几纳秒的指数上升和下降时间，适用于大量子比特非谐性。R 0 、CP 和 CS 通过 SPI 总线进行编程，以进行静态预调谐。但是，提供了一个 0 至 18dB 衰减器电路，步长为 6dB，用于实时粗调幅度。输出端集成了 SW2，以提供额外的开-关隔离。PI 单元由多路复用器和限流反相器组成。32 个单元并联组合，所选相位之间的权重由驱动多路复用器阵列的温度计编码的 31b 值设置（第 32 个反相器始终由 CLK[n] 驱动）。相位生成电路具有 11b 控制，可提供实现 0.5° 精度的裕度。图 29.1.3 显示了脉冲整形器原理图。它接收相移时钟并应用可编程幅度和持续时间的矩形包络。SW1 用于门控数字 CW 信号。然后，门控信号由一个电路缓冲和衰减，该电路由可变电阻器 R 0（16 个值，从 10 到 170kΩ）组成，通过 2:1 双调谐变压器连接到 50Ω 负载。该电路将可用功率降低了约 17 至 29dB，同时提供 50Ω 输出匹配并过滤脉冲频谱，为信号包络引入几纳秒的指数上升和下降时间，适用于大量子比特非谐性。R 0 、CP 和 CS 通过 SPI 总线进行编程，以进行静态预调谐。但是，提供了一个 0 至 18dB 衰减器电路，步长为 6dB，用于实时粗调幅度。输出端集成了 SW2，以提供额外的开-关隔离。
量子技术材料：自旋和拓扑的路线图
量子力学推动了技术上有用的组件（例如晶体管、激光器、磁隧道结等）的发展，这些组件改变了我们的经济和社会。下一代量子技术 (QT) 将基于叠加和纠缠的物理学，需要开发能够支持这些效应的新材料。在本期《观点》中，我们重点关注自旋和拓扑的材料实现，作为未来 QT 中可利用的量子对象，为计算、传感、通信和信息存储的新策略奠定基础。在固态材料中，自旋自由度可用于单自旋极限，其中孤立自旋的光学和电子控制可以实现高保真度的相干控制和自旋操纵。最近，基于微妙但强大的相对论自旋轨道耦合的概念已经实现了几个令人兴奋的突破，包括实空间和动量空间中的拓扑自旋纹理。磁性 skyrmion 是一个标志性的例子；它们的拓扑保护在纳米尺度上实现了巨大的稳定性，从而引发了将它们用作信息载体的令人兴奋的提议。稳健的自旋纹理也出现在拓扑绝缘体的动量空间中，可以产生高效的自旋电荷转换。将自旋轨道耦合的物理特性和新型自旋纹理与超导性相结合，可以进一步发挥协同作用，利用材料的量子力学相并生成新的序参量。在窄带隙和宽带隙半导体中实现的电子自旋量子比特现在已经为纳米级光通信网络和传感提供了最有前途的平台之一。
把握量子技术的商业价值
药物发现的最大挑战之一是以足够高的准确度预测药物分子与体内导致特定疾病的某些蛋白质的结合，但这对于理解药物的功能至关重要。在 Algorithmiq，我们在我们的药物发现平台中结合了我们最先进的经典算法和最强大的专有量子算法来解决这些复杂的化学问题。它使我们能够探索目前无法通过经典计算获得的药物类别。这种用例的一个例子涉及药物-光子相互作用的最佳工程，其中药物分子在给患者服用后仅由外部光源激活。这要求了解抗癌药物的基态和激发态化学，而这目前是一项艰巨的任务，无法用当代经典计算方法实现。”
量子技术的未来：溶液处理的可调材料的超荧光
摘要：纳米晶体研究中最显着，最令人惊讶的发展之一是从一个自组装的，粘膜钙钛矿纳米晶体系统中观察到超级荧光[G. Rainò，M。A。Becker，M。I。Bodnarchuk，R。F。Mahrt，M。V。Kovalenko和T.Stöferle，“来自Halide Halide Perovskite量子点超级晶格的超级荧光”，《自然》，第1卷。563，否。7733，pp。671–675，2018]。超级荧光是一种量子光特性，其中许多偶极子自发同步在相位中创建一个集体，协同的光子发射，其寿命快得多。因此，在溶液处理的和胶体结构通常会遭受高光学脱碳和非均匀尺寸的分布时，在更多的不构态系统中观察到这一点是令人惊讶的。在这里，我们概述了在胶体和解决方案处理系统中超级流量演示的最新发展，并探索了此类系统允许的化学和材料科学机会。创建明亮和可调的超超流感来源的能力可以使量子信息应用中的变换发展并提高我们对量子现象的理解。
量子技术的未来：溶液处理的可调材料的超荧光
摘要：纳米晶体研究领域最近最重大和最令人惊讶的进展之一是从自组装胶体钙钛矿纳米晶体系统中观察到超荧光 [G. Rainò、MA Becker、MI Bodnarchuk、RF Mahrt、MV Kovalenko 和 T. Stöferle，“铅卤化物钙钛矿量子点超晶格的超荧光”，《自然》，第 563 卷，第 7733 期，第 671-675 页，2018 年]。超荧光是一种量子光特性，其中许多偶极子自发同步相位，产生具有更快寿命的集体协同光子发射。因此，在更不均匀的系统中观察到这种现象是令人惊讶的，因为溶液处理和胶体结构通常具有高光学退相干和非均匀尺寸分布。本文概述了胶体和溶液处理系统中超荧光演示的最新进展，并探讨了此类系统允许的化学和材料科学机会。创造明亮且可调的超荧光源的能力可以推动量子信息应用的变革性发展，并促进我们对量子现象的理解。
量子技术的未来：溶液处理的可调材料的超荧光
摘要：纳米晶体研究领域最近最重大和最令人惊讶的进展之一是从自组装胶体钙钛矿纳米晶体系统中观察到超荧光 [G. Rainò、MA Becker、MI Bodnarchuk、RF Mahrt、MV Kovalenko 和 T. Stöferle，“铅卤化物钙钛矿量子点超晶格的超荧光”，《自然》，第 563 卷，第 7733 期，第 671-675 页，2018 年]。超荧光是一种量子光特性，其中许多偶极子自发同步相位，产生具有更快寿命的集体协同光子发射。因此，在更不均匀的系统中观察到这种现象是令人惊讶的，因为溶液处理和胶体结构通常具有高光学退相干和非均匀尺寸分布。本文概述了胶体和溶液处理系统中超荧光演示的最新进展，并探讨了此类系统允许的化学和材料科学机会。创造明亮且可调的超荧光源的能力可以推动量子信息应用的变革性发展，并促进我们对量子现象的理解。
专利洞察报告 - 量子技术和空间
在QT及其在全球范围内的应用（包括太空领域）的政治利益正在加剧该领域的创新，并为新发明带来了切实的机会。在欧洲，QT和空间应用（例如基于空间的量子密钥分布）已被公认为是一个破坏性的技术部门，对社会和整个经济具有根本影响。根据专利申请统计数据，欧洲还不是与太空相关的QT创新的先驱。这可能会随着最近的主要计划（例如欧洲量子通信基础设施（EuroQCI））的引入，该计划旨在开发使用量子密钥分布的欧洲基础设施来开发用于量子通信的欧洲基础设施，并应包括重要的空间要素。
