开发能够使量子信息既稳定又易于访问的技术，是实现大规模实用量子计算机发展的关键挑战。发表在《自然》杂志上的一项研究提供了一种途径，可以将芯片上的量子晶体管（称为量子比特）数量从目前的不足100个扩展到实现量子计算所需的数百万个。这一成果得益于悉尼大学开发的新型低温控制电子器件，该器件可在接近绝对零度的温度下运行。

悉尼大学纳米研究所和物理学系的首席研究员戴维·瑞利（David Reilly）教授表示：“这将使我们从量子计算机这个令人着迷的实验室设备的阶段，迈向能够开始探索这些设备能够为人类解决的现实世界问题的阶段。”该论文是悉尼大学与新南威尔士大学通过各自的量子技术衍生公司Emergence Quantum和Diraq进行产业合作的结果。瑞利教授的公司Emergence Quantum成立于今年，旨在将量子控制技术和其他先进电子产品（例如这篇《自然》论文中提出的芯片）商业化。

为了这项研究，他的团队开发了一种可以在毫开尔文温度下控制自旋量子比特的硅芯片。毫开尔文温度略高于绝对零度（-273.15摄氏度），理论上，在绝对零度下物质会停止运动。在众多新兴量子比特技术中，专家认为自旋量子比特（信息编码于单个电子的磁性方向）更易于扩展，因为它们基于常见的CMOS（互补金属氧化物半导体）技术，该技术是现代传统计算的基础，并且已经用于打印数十亿个晶体管。

设备和基本 CMOS 操作。a. 低温集成封装方案，低温CMOS控制芯片与量子比特芯片共置于同一电路板，工作温度为毫开尔文（mK）温区，并通过金线键合（wire-bonded）在一起。其余控制系统均处于室温下。b. 硅量子器件电子显微图（与实测器件名义相同），芯片集成 32个电流引导场门单元（CLFG），其中一个连接到栅极J - 控制量子比特芯片中双量子点间耦合（图中标注）另一个单元链接到栅极B - 辅助势垒门。所有其他快速脉冲门（P1/P2/SET）和直流势垒门都连接到室温电子设备。c. CLFG单元电路原理图（栅极J连接结构），通过栅极J的电脉冲调制双量子点间隧道耦合，实现单/双量子比特控制的核心物理机制，比例尺，100纳米（b）。

全球首个集成量子比特的半导体控制系统

然而，自旋量子比特必须保持在1开尔文以下的温度以保留其信息。要实现规模化，还必须使用复杂的集成电子设备对其进行控制和测量。这引发了一个严重担忧：即使控制系统能在该温度下工作，将控制装置放置在量子比特附近产生的热量和电气干扰也会降低其性能。

瑞利教授的团队首次证明，通过精心设计，这种情况并非不可避免——这是一项至关重要的原理验证演示，证明CMOS中的自旋量子比特可以扩展到数百万个量子比特，从而构建出一台有用的机器。瑞利教授表示：“这一成果历经十余年研发，积累了丰富的专业知识，使我们能够设计出功耗极低、运行温度接近绝对零度的电子系统。现在，我们展示了一个可扩展的控制平台，它可以与量子比特集成，而不会破坏脆弱的量子态。”

“这验证了通过在低温环境下集成复杂电子系统实现量子比特大规模控制的希望。我们的论文表明，通过精心设计控制系统，脆弱的量子比特几乎不会察觉到距离不到一毫米的芯片中晶体管的切换。”

单量子比特低温CMOS 性能基准测试。a. 室温控制下单量子比特拉比振荡（Q1）与微波参数关系，变量：微波频率（fMW）与脉冲时间（tMW），控制条件：室温（RT）电子学系统。b. 不同低温CMOS条件下的单量子比特随机基准测试（Q1），曲线说明：数据轨迹经垂直偏移处理以提高可读性，数据统计：每个数据点为 300组随机序列 的平均值（每组序列包含 100次采样）。c. 单量子比特退相位时间（T₂*）测量

好的科学，好的商业化

这些量子比特由新南威尔士大学（UNSW）的衍生公司 Diraq 提供，该公司由安德鲁·杜扎克（Andrew Dzurak）教授创立。悉尼大学设计的控制芯片所掌握的知识将被应用于新公司Emergence Quantum的大部分工作，该公司由瑞利（Reilly）教授和托马斯·奥基（Thomas Ohki）博士共同创立。

瑞利教授表示：“这不仅是优秀的科学研究，也是成功的商业化案例，进一步证明了悉尼在全球量子产业中扮演着至关重要的角色。”论文第一作者、曾在悉尼大学与瑞利教授共同开展实验的博士生山姆·巴特里（Sam Bartee）现就职于Diraq公司。 

他说道：“能参与这项工作令人无比兴奋，能参与强大技术的研发，并身处量子计算研究的热点地区。目前，悉尼确实是从事量子工程的绝佳之地。” 库沙尔·达斯（Kushal Das ）博士是该控制芯片的主要设计师。他同时担任悉尼大学和Emergence Quantum的联合职位。

达斯博士表示：“既然我们已经证明毫开尔文控制不会降低单比特和双比特量子门的性能，我们预计会有更多人效仿。幸运的是，这并非易事，需要多年的积累，才能掌握设计低噪声低温电子设备所需的专业知识和技能，而这些电子设备只需要极少量的功率。”瑞利教授补充道：“在这里，我们展示了低温电子设备对扩展量子比特的影响，但我们看到这项技术还有许多其他多样化的应用，从近期的传感系统到未来的数据中心。”

Diraq 公司首席执行官安德鲁·杜扎克（ Andrew Dzurak ）教授表示：“这一进展为Diraq 公司实现将硅量子比特与经典控制电子设备集成于单一紧凑封装的目标奠定了基础，为开发能耗更低、价格更实惠的量子计算机开辟了道路。”巴特里博士及其合作者测量了由低温CMOS芯片控制的单比特和双比特操作的性能特征。他们将其性能与标准的电缆连接室温控制系统进行了比较。

带有低温CMOS 的单量子比特门。a. 作为微波频率和J栅压函数的电子自旋共振（ESR）谱，Q2量子位展现出显著的斯塔克位移效应，该效应支持：共振单量子比特操作（X、Z门；△标记）和非共振态加载与测量（M；★标记）。b. 全局有效控制脉冲序列示意图。量子比特旋转由J脉冲持续时间决定，微波信号固定于最大脉冲时间（t_pulse），该时段覆盖加载与读取阶段。c. Q2的拉比振荡条纹图（通过扫描微波频率与脉冲时间表征量子态操控）。d. 基于全局控制与低温CMOS脉冲的相干时间测量（B₀ = 0.5 T），误差范围表示95%置信区间。

他们的研究成果包括：

l单量子比特操作几乎没有保真度损失；

l一比特和二比特操作的相干时间未出现可测量的减少；

l比特相互作用的行为具有可比性，表明电气噪声的干扰可忽略不计。

值得注意的是，这些成就的实现仅耗费了10微瓦的功率，其中绝大多数功耗用于数字系统。模拟组件每兆赫仅消耗约20纳瓦，这意味着该系统可扩展至数百万个量子位，而功耗不会显著增加。