驗證量子位元控制裝置的長時間穩定運作

【概要】

由 QuEL 株式會社的工程師栗本佳典、研究科學家大平龍太郎、CTO 三好健文（大阪大學量子資訊與量子生命研究中心（QIQB）特聘教授），以及大阪大學量子資訊與量子生命研究中心（QIQB）的根來誠教授等組成的裝置開發與研究團隊，開發了量子位元控制裝置「QuEL-1 SE」，該裝置能實現用於控制超導量子位元（註1）的微波（註2）訊號長時間穩定化，並已實驗性地驗證其性能。本研究透過為鎖相迴路（PLL）和放大器等類比設備引入獨立的溫度控制機制，大幅抑制了長時間運作時微波訊號的振幅和相位波動問題。同時測量 15 個通道的微波輸出長達 24 小時的結果顯示，振幅的標準差（註3）被抑制在0.09–0.22%（平均 0.15%），相位的標準差被抑制在0.35–0.44°（平均 0.39°）。據估計，這些振幅和相位波動導致的單一量子位元閘錯誤，遠小於量子錯誤修正所要求的典型容錯閾值。這項成果有助於實現高穩定微波控制技術，這對於量子電腦的長時間運作和規模擴展至關重要。本研究成果已發表於 Review of Scientific Instruments 期刊。

【發表內容】

在量子電腦中，微波訊號被廣泛用於操作量子位元的狀態。特別是在超導量子位元中，高精度控制微波的頻率、振幅和相位對於實現高保真度的量子閘至關重要。然而，在實際的控制裝置中，由於鎖相迴路（PLL）、放大器和混頻器等類比電路的溫度變化，微波訊號的振幅和相位會隨時間波動。這些波動會降低長時間量子計算和量子錯誤修正處理中量子閘的精度。為了解決這個問題，研究團隊在量子位元控制裝置 QuEL-1 SE（圖1）中引入了設備級溫度控制機制，以單獨控制每個類比設備的溫度。

在此系統中，對於放大器、PLL、混頻器等對溫度變化敏感的元件，採用了結合熱敏電阻溫度檢測和加熱器加熱的閉迴路控制，實現了不受周圍環境溫度波動影響的穩定運作。

在實驗中，研究人員使用一台 ADC 同時測量了三台 QuEL-1 SE 裝置輸出的總計 15 個通道的微波訊號，並評估了長達 24 小時的振幅和相位波動。

結果證實，振幅的標準差被抑制在0.09–0.22%，相位的標準差被抑制在0.35–0.44°，這些都是非常小的值。這些波動與未進行溫度控制的情況相比，減少了 1/2 以上，證明了溫度控制的有效性（圖2）。

此外，關於這種穩定性對量子閘的影響，估計由振幅誤差和相位誤差引起的單一量子位元閘錯誤分別為約 2×10⁻⁶ 和約 2×10⁻⁵，這遠低於量子錯誤修正所預期的容錯閾值。

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