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低溫冷卻技術加速量子電腦開發

2020-03-19 17:21經濟日報 莊智強

為了建構下一代量子電腦,研究人員正在想辦法突破當前實驗技術可以實現的極限。挑戰之一是測試複雜量子電腦的性能,不過當複雜精密的量子電腦被密封在接近絕對零度的低溫系統時,不僅組裝、調整與維護每個實驗所需的組件和佈線都會變得困難,而且量子電腦的尺寸也可能會因為環境受限。有鑑於量子運算等許多新技術都需要在接近絕對零度下提供受控的測量環境。因此用來維持低溫的冷卻系統就很重要,不過目前的冷卻系統難以使用和維護,舉例來說,測量的設備如果要放在冷卻系統內部,這麼一來要安裝組件和佈線都會變得困難,這使得在組裝測量設備時很容易出錯,因此業界努力的目標是消除這些障礙,讓量子電腦開發者能夠專注在研究中發揮創造力。

光電協進會指出,為了解決低溫量測的問題,芬蘭一家廠商Bluefors提供了一系列低溫冷卻系統,該公司宣稱其冷卻系統結合了效能、可靠性及易於使用性,讓量子電腦的開發過程更為順利。Bluefors開發無致冷劑的稀釋冰箱,該冰箱無需使用液態氦作為預冷劑。這種「乾式」系統近年來已成為低溫研究的首選技術,因為比較容易將樣品安裝到腔室中,為實驗提供更多操作空間並實現更高的自動化程度。Bluefors在低溫恆溫器上配備了側面加載系統,這種側面加載系統允許將實驗組件與佈線完全組裝在實驗室工作台上,然後把室溫下的實驗組件透過實驗平台傳送到低溫系統中。這種方法使研究人員可以輕鬆地檢查連線是否有正確連接,在將實驗安裝在低溫恆溫器中時減少了進一步調整的需要,使科學家可以更輕鬆地設計和構建實驗。

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Bluefors為其系統設計了6個側面加載開口,每個開口都可以容納不同實驗的測量儀器,這麼一來,不論是在系統處於冷狀態時,可以準備實驗,然後將其升至室溫,還可以同時更改實驗,這樣可以使系統在維護後更快地冷卻下來。除了側面加載系統外,模組化是該公司的另一項創新,Bluefors設計了模組化系統,提供了將實驗加載到低溫恆溫器的標準作業流程。組件與佈線以標準的外形尺寸組裝在模組內部,可以簡單地卡入側面裝載開口,模組化系統可以有效地增加系統中的電線和組件的數量,可以進行快速測試和故障排除,並確保在繁忙的多用戶環境中快速切換與運作。該公司表示,這些工作都在不影響低溫系統的熱性能和穩定性的情況下完成,而且工作溫度都可以保持在接近絕對零度。

光電協進會表示,以量子電腦來說,研究人員面臨的挑戰是如何從只有幾個量子位元的實驗室規模,擴展到需要數百個量子位元的量子電腦,光是考慮到要把眾多的接線連接到低溫系統中,就是不可能的任務,為了滿足這一需求,Bluefors以模組化達到高密度接線,使研究人員可以在一個系統中使用1000條以上的接線進行實驗。除此之外,如果真的要達到數百萬個量子位元的境界,還需要搭配新的技術解決方案,像是冷邏輯與線路重複使用等技術,該公司認為模組化概念將可支持這些新技術的發展。由於這些低溫系統的不斷改進,已成為推動量子電腦商用化的關鍵。量子技術與新的低溫系統的發展並駕齊驅,互相扶持並推動了這兩種技術的發展。

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