QuTech 在今年二月举行的 "ISSCC 2024 国际固态器件电路会议（IEEE International Solid-State Circuits Conference 2024）"上展示了与富士通公司联合研究项目的成果。富士通（Fujitsu）与 QuTech 合作开发了金刚石自旋量子的低温 CMOS 电路，并将其放置在超低温装置中，成功驱动了金刚石自旋量子位，这被称为世界首创！这项新技术在保持高质量性能的同时，解决了量子比特冷却过程中的 "线路瓶颈 "问题，使量子比特和控制电子元件都能在紧凑的低温装置中方便地运行，是实现更大规模量子计算机的一个重要里程碑。
自 2020 年 10 月以来，富士通和代尔夫特理工大学一直在联合研发使用基于钻石的自旋量子位进行量子计算机，从设备层到控制系统、架构和算法。迄今为止，两家合作伙伴利用钻石NV中心方法在钻石量子处理器中实现了世界上第一个自旋量子位的容错操作。旨在为未来可扩展至 1000 个量子位以上的模块化量子计算机创建蓝图。今年1月，宣布在代尔夫特理工大学进一步加强合作，成立富士通代尔夫特先进计算实验室，这是一个致力于量子计算技术开发的产学合作中心。先进计算实验室设在世界领先的量子技术研究机构 QuTech（代尔夫特理工大学（TU Delft）与荷兰应用科学研究组织（TNO）合作） ，被定位为富士通小型研究实验室计划的一部分，该计划将富士通研究人员派遣到全球领先大学的技术孵化器，与各自领域的一些顶尖研究人员（包括教授和下一代）进行联合研究创新者。富士通和代尔夫特理工大学将把新中心定位为日本和荷兰领先的产学研研发中心，并促进进一步合作，包括培养能够领导该领域的人才。
量子比特是量子计算机的基本信息单元。与常规计算机使用的非0即1的二进制码不同，量子比特可同时以0和1的状态存在。这种不确定性来源于物理学中的量子叠加：一个量子系统能同时存在于多个分离的量子态中。量子计算机正是通过量子叠加实现同时存储大量信息的功能。量子比特本质上是处于叠加态的亚原子粒子，如电子、被束缚的离子或光子。量子比特周围环境的细微变化，比如振动、电场、磁场、宇宙辐射等，都可能向量子比特输入能量，进而使叠加态坍缩，使量子比特失效。因此，量子比特需要密封在极冷、真空环境中以最大程度地避免任何干扰。这就是量子计算机的搭建面临的巨大挑战。其中微小的热量泄露，就会立即破坏量子比特所保存的信息，使任何量子计算机变得不可靠和不可用。为了确保准确运行，量子比特需要冷却到尽可能低的温度，接近绝对零度开尔文（-273°C）。控制量子比特的电子电路的精确运行是一个持续的挑战，而保持量子比特足够低温的传统方法需要一个小型低温装置，量子比特通过电线与装置外的电子设备相连。增加量子计算机规模，其中一个技术问题就是连接放置在低温装置内的超导设备和放置在室温环境中的控制设备的布线（电缆）问题。挑战在于，增加量子位的尺寸需要增加电缆数量，这是无法放入冷却装置内的，并且低温量子比特和室温电子线路之间的导线产生的热量会严重影响量子计算机的可靠性、制造和尺寸。富士通与QuTech：克服布线问题，成功驱动金刚石自旋比特为解决这一问题，富士通与QuTech的研究人员和工程师合作，利用金刚石自旋量子在 4K（约负 269 摄氏度）下移动的特性，通过一种名为“低温互补金属氧化物半导体( CMOS )”的半导体技术来克服布线问题。利用安装在低温装置中的cryo-CMOS电路成功驱动了金刚石自旋比特。这项新技术可以在与金刚石自旋比特相同的温度（4开尔文）下安装cryo-CMOS电路，从而简化布线并建造高性能的大规模集成量子计算机。Cryo 的意思是“即使在寒冷的地方也能工作”。Cryo CMOS 电路甚至可以在极低的温度下运行。富士通利用QuTech 的专业知识，开发了用于金刚石自旋量子的低温 CMOS 电路。富士通研究人员表示“具体来说，我们在极低温装置内安装了cryo-CMOS电路，希望能够通过不使用电缆，三维安装金刚石自旋量子来克服布线问题。”为了实现这一目标，富士通与 QuTech 合作开发了一种新技术，可冷却整个量子计算机，而不仅仅是量子比特。首先开发了驱动金刚石自旋量子位所需的磁场应用电路和微波电路，然后通过将其放置在与量子比特相同的超低温装置中，在世界上首次成功驱动了金刚石自旋量子位。QuTech 首席研究员 Fabio Sebastiano 解释说："在设计电气系统时，性能和功耗之间总是存在平衡问题：其中一个性能的提高意味着另一个性能的降低。我们面临的挑战是既要获得高性能，又要不限制功耗。QuTech 首席研究员 Masoud Babaie 补充道："这一点至关重要，因为过高的功耗会使用于保持系统低温的低温冰箱过热。我们使用特定的低温电子控制器（cryo-CMOS 控制器）来缓解互连瓶颈：现在我们需要更少的电线进入低温冰箱，这大大提高了整个量子计算机的可扩展性。富士通有限公司研究员、高级副总裁兼富士通研究所量子实验室主任Shintaro Sato博士解释说："控制电路和量子比特之间的布线是量子计算机升级过程中的一个常见问题。我们的联合研究成果凸显了用于钻石自旋量子比特的cryo-CMOS技术在克服这一瓶颈方面的潜力。我们预计，这项新技术将使我们能够在使用金刚石自旋量子比特的量子计算机中实现预期的高可扩展性"。"目前，金刚石自旋量子仍处于早期阶段，但它可能成为大规模研究的突破性技术。超导量子比特通常在20毫开尔文（mK）（低于-273摄氏度）的极低温环境下运行。由于制冷机的容量有限，无论是量子位还是cryo-CMOS都很难冷却到20 mK。“金刚石自旋量子在 1K 到 4K 范围内运行，因此可以将低温 CMOS 电路与量子位放在同一平台（位置）上。这是该项目的关键点，”主任Shintaro Sato博士补充说道。佐藤主任说到，“然而，目前的技术还不可能解决所有问题，公司的政策是致力于所有层面的开发，包括微波发生电路和纠错的开发。金刚石自旋量子涉及用氮（N）取代金刚石中的碳原子以产生空位（V），并利用中心（NV中心）产生的电子自旋作为量子位。由于金刚石自旋量子具有较长的相干时间来维持其量子态，因此它们在量子传感器和量子通信等领域引起了人们的关注。除了这些用途之外，我们一直在考虑将其与我们与RIKEN共同开发的超导量子计算机相结合。例如，可以使用超导体进行高速计算处理，并使用金刚石自旋量子进行使用内存的计算，并且正在研究结合量子仪器的混合用途。“这项新开发的技术实现了用于控制金刚石量子比特的低温电子电路，标志着向实现大规模量子计算机迈出了重要一步。今后，富士通和 QuTech 将进一步加强新开发的技术，包括从 1 量子位操作扩展到 2 量子位操作、实现量子位读出功能以及扩展到更大规模的量子处理器。
