量子规模化，正在变成控制电子学难题

打造更大规模的量子计算机，并不只是在芯片上集成更多量子比特这么简单。工程师最终还必须解决所有和量子比特配套的相关问题。

在如今的超导量子计算机中，大部分用于生成控制信号的电子设备都放置在室温环境下。这些信号通过线缆送入稀释制冷机，再逐级穿过不同温区，最终抵达在毫开尔文温度下运行的量子比特。随着量子比特数量增加，这套经典控制基础设施的规模也会同步扩大。

Oleg Mukhanov量子控制企业SEEQC的联合创始人兼首席战略官Oleg Mukhanov在接受采访时表示：“低温恒温器主要是给布线降温。” 问题不只是线缆的物理数量。每一根线缆都会成为热量进入低温恒温器的通道，并且在不同温区可能需要配套连接器、滤波器、衰减器以及热沉结构。可调耦合器、频率调节等功能，还需要额外布设线路。

Mukhanov称，连接器在反复的冷热循环中可能发生失效。室温波形发生器输出的模拟控制脉冲，沿着信号链路传输时会产生波形畸变，工程师需要对信号做预失真处理来补偿。此外，磁控信号还会在相邻器件之间引发串扰。

因此，一个越来越受关注的解决思路，是把更多经典电子器件往量子处理器附近迁移。麻省理工学院教授William Oliver等研究人员已经探讨：随着超导量子比特系统规模扩大，低温封装、信号传输以及控制基础设施需要如何演进。

SEEQC已经验证了该思路的一种实现方案。在3月发表于《自然》的一篇论文中，研究人员将单磁通量子（SFQ）控制电路与量子比特集成在多芯片模块内。通过数字解复用技术，控制脉冲可以分发到多个量子比特，不再要求控制线与量子比特保持一一对应的关系。研究团队测得，单量子比特保真度高于99%，最高可达99.9%。

哪些电子器件适合放在低温区？

但把电子器件放进制冷机，又引出了新问题：到底该把哪类电路放在低温环境？低温CMOS拥有数十年半导体研发积累的优势，可以实现复杂的数字、模拟、混合信号以及存储功能。但如果要让CMOS达到量子比特快速控制与读出所需的性能，功耗就会上升。

Heorhii Bohuslavskyi S-Transistors联合创始人兼CEO Heorhii Bohuslavskyi接受采访时说：“你确实可以把低温CMOS电路做到极低功耗。但如果要维持量子比特所需的性能水平，功耗就会居高不下。”

在低温恒温器内部更深处，制冷功率会随温度下降急剧缩减，这一功耗取舍问题会变得愈发关键。温度越低，可用制冷功率越稀缺，因此放置在量子处理器（QPU）附近的电子器件，功耗问题尤为重要。

超导SFQ电子电路的取舍特性几乎正好相反。基于约瑟夫森结的电路运算速度极快，能耗很低，非常适合数字处理。但Bohuslavskyi认为，传统两端约瑟夫森结在模拟、混合信号、存储等功能上灵活性不足。

这正是芬兰初创公司S-Transistors想要攻克的技术缺口。这家企业是芬兰VTT技术研究中心的衍生公司，于今年8月完成2600万欧元的预种子轮融资，开发基于超导晶体管的集成电路。

S-Transistors没有采用传统两端约瑟夫森结，而是使用带第三栅极的平面约瑟夫森结结构。栅极可以通过电学方式改变超导沟道的特性，工程师无需依赖局部磁场或者加热，就能调控临界电流、约瑟夫森电感等参数。

Bohuslavskyi表示，团队的目标是兼顾半导体晶体管的通用性与超导电子器件的低功耗特性。“我们认为可以把两种技术最优秀的特性融合到同一个固态器件当中。”

S-Transistors的长远构想，是打造Bohuslavskyi所说的 “毫开尔文级量子主板”。这块主板集成量子处理器周边大部分输入输出、信号路由、控制、读出电路，未来还会集成更多配套电子器件。

从布线难题入手

不过该公司近期目标要务实得多。S-Transistors计划研发基于超导晶体管的时域、频域复用器和解复用器，首款产品预计2027年推出。这类器件可以让多路信号共用同一条传输线路，减少进入量子计算机最冷区域的物理走线数量。

超导晶体管工作原理示意图。这种新型低温电子器件兼具半导体场效应管的电可调特性，以及超导体超低功耗、高速的特点

这和SEEQC用SFQ解复用方案想要解决的瓶颈是同一个，只是器件架构不同。Mukhanov表示他了解S-Transistors团队，认可该方案具备潜在价值，尤其适合不同低温技术之间需要互通的场景。“我认为他们的研究很有实用价值，具备落地潜力。” 他将超导晶体管视作一种可用于系统增强的技术。

他提到，超导晶体管的一个潜在用途，是作为超导电路与低温CMOS之间的接口。例如SFQ电路无法实现CMOS那样高密度的存储能力。

而Bohuslavskyi对超导晶体管的定位抱有更大期待。他认为超导晶体管未来可以承担模拟、混合信号电路、信号路由、控制以及存储等各类功能。但他也认为未来的量子控制系统会是异构架构：“低温CMOS、SFQ等各类技术都会找到适合自己的应用场景。”

因此，行业的发展方向，并非在各类低温电子技术里选出唯一赢家，而是确定每一种技术适合部署在哪一个温区、位于控制栈的哪一层。

从晶体管到集成电路

S-Transistors仍有不少难关需要攻克。该公司称，其技术在150毫米晶圆上的器件良率约98%，目前正在转向200毫米工艺。但是在晶圆上制备独立的超导晶体管，和制造复杂、高可靠性集成电路完全是两回事。

150毫米（6英寸）硅晶圆，上面制备了数千个超导晶体管、测试结构以及集成电路原型，由S-Transistors试验线工艺制造

Bohuslavskyi坦然承认其中差距。该公司规划中的复用器，电路层面的功耗、性能指标目前还只是估算值，仍有待实验验证。

从150毫米硅晶圆切割得到的超导复用器原型芯片，被固定在印制电路板上，并完成引线键合，可接入测试设备。这是封装样品装入低温恒温器之前的状态

还有一项挑战，是传统半导体行业十分熟悉的：设计工具。S-Transistors正在开发精简器件模型与工艺设计套件（PDK），最终目标是能够使用工业EDA工具设计超导晶体管电路。Bohuslavskyi说，如果缺少这套工具，电路开发就会变成 “一群物理学家在白板上画原理图，再尝试把设计搬到硅片上”。

从具备潜力的器件物理，走向可复现的电路设计与制造，这一步跨越的重要性，不亚于晶体管本身。

与此同时，只要量子比特数量持续增长，S-Transistors瞄准的规模化瓶颈就不会消失。更大规模的容错量子系统不仅需要更多控制信号，还要求快速读出以及持续的量子纠错。

Mukhanov认为，部分数据处理工作最终必须放在量子处理器附近完成，而不是把每一次测量数据都传回室温电子设备。本地处理可以降低延迟，同时减少从制冷机向外传输的数据量。

换言之，量子计算下一轮规模化挑战，越来越多地存在于量子比特本身之外。把更多电子器件搬进低温区只是解决方案的一部分；更难的部分，是让这些电路在低温环境下完成有效工作，同时不耗尽制冷预算。