近日，清华大学交叉信息研究院段路明研究组在低温微波脉冲发生器的研究工作中取得重要进展，首次在超导量子电路中发现了一种从真空中产生微波光子的相干过程，并基于此实现了一种由类数字信号驱动，在毫开尔文温度下产生具有可控相位、强度和频率的微波脉冲的信号源。该成果论文《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）》近日在线发表于Nature Communications（《自然•通讯》）杂志上。

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

       在当前的超导量子计算机中，超导量子比特的操作和读出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。

图2：低温脉冲微波信号源主要实验结果

        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，不足以用于量子位控制。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。

       在此项工作中，研究人员首次在超导量子电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装置 (SQUID) 的磁通量进行数字化控制，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地量子比特状态读取。此器件结构简单、可扩展性强，并与超导量子电路兼容，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。

       清华大学交叉信息研究院2018级博士生鲍增晖、2020级博士生李严为文章的共同第一作者，论文通讯作者为张宏毅副研究员和段路明教授，其他作者还包括王志凌，王家辉，杨济泽，熊昊楠，宋祎璞研究员和吴宇恺助理教授。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。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50333-w