量子位元控制裝置長時間穩定運作獲得實證

【概要】

QuEL股份有限公司的栗本佳典工程師、大平龍太郎研究科學家、三好健文CTO（大阪大學量子資訊・量子生命研究中心（QIQB）特任教授），以及大阪大學量子資訊・量子生命研究中心（QIQB）的根來誠教授等裝置開發及研究團隊，開發了可實現超導量子位元（注1）控制所用微波（注2）訊號長時間穩定化的量子位元控制裝置「QuEL-1 SE」，並以實驗方式實證了其性能。本研究針對鎖相迴路（PLL）及放大器等類比元件導入個別溫度控制機制，大幅抑制了長時間運作時造成問題的微波訊號振幅及相位變動。經24小時對15個通道的微波輸出同時測量，確認振幅標準差（注3）抑制在0.09–0.22%（平均0.15%），相位標準差抑制在0.35–0.44°（平均0.39°）。估計這些振幅及相位變動對單一量子位元閘道所造成的錯誤，遠小於量子糾錯所要求的典型容錯閾值。本成果有助於實現量子電腦長時間運作及大規模化所需的高穩定微波控制技術。本研究成果已刊登於《Review of Scientific Instruments》期刊。

【發表內容】

量子電腦中廣泛使用微波訊號來操控量子位元的狀態。尤其在超導量子位元中，高精度控制微波的頻率、振幅、相位對於提升量子閘道的保真度不可或缺。然而，實際的控制裝置中，鎖相迴路（PLL）、放大器、混頻器等類比電路因溫度變化，導致微波訊號的振幅與相位隨時間產生變動。這些變動在長時間量子計算及量子糾錯處理過程中，成為降低量子閘道精度的因素。研究團隊為解決此問題，在量子位元控制裝置 QuEL-1 SE（圖1）中導入了對各類比元件溫度進行個別控制的元件級溫度控制機制。

該系統針對放大器、PLL、混頻器等對溫度變化敏感的元件，採用熱敏電阻進行溫度偵測並結合加熱器加熱的回饋控制，實現不受周圍環境溫度變動影響的穩定運作。

實驗中，以1台ADC對3台QuEL-1 SE裝置輸出的合計15個通道微波訊號進行同時測量，評估了24小時內的振幅及相位變動。

結果確認振幅標準差抑制在0.09–0.22%，相位標準差抑制在0.35–0.44°等極小數值。這些變動相較於無溫度控制的情況減少至1/2以下，實證了溫度控制的有效性（圖2）。

此外，關於此穩定性對量子閘道的影響，估計因振幅誤差及相位誤差造成的單一量子位元閘道錯誤分別約為2×10⁻⁶及2×10⁻⁵，充分低於量子糾錯所預設的容錯閾值。

這些結果顯示QuEL-1 SE即使在長時間量子計算中也能提供穩定的微波控制，預期將成為未來實現大規模量子電腦的重要基礎技術。

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