Real-Time FPGA-Based Multi-Parameter Feedback Stabilization of a Silicon Double Quantum Dot

想象一下，你正试图在不断震动的桌子上平衡一叠叠叠好的叠叠乐（Jenga）积木。如果桌子震动得太厉害，塔就会倒塌。现在，想象一下，你不是在使用木块，而是在尝试将一个电子平衡在一个由电场构成的微小、隐形的笼子里。这就是量子计算的世界，特别是使用“自旋量子比特”——这种粒子就像微小的磁铁一样用来存储信息。问题在于，周围的世界充满了噪声。材料附近的微小、隐形的电荷在跳动和移动，产生了一种低频的“嗡嗡声”（称为 $1/f$ 噪声），这会将电子推离它完美的中心位置。如果电子发生漂移，计算机就会丢失记忆。为了建造实用的量子计算机，科学家需要让这些电子保持完全静止，即使在周围世界都在摇晃的情况下。他们需要一种方法来感知漂移，并能瞬间将电子推回中心，速度要比噪声移动的速度更快。

这正是加州大学洛杉矶分校（UCLA）的研究人员致力于解决的问题。他们为硅双量子点（一种捕获两个并排电子的装置）构建了一个高速“自动驾驶仪”。以往稳定这些量子点的尝试，就像是试图用一张每隔几分钟才更新一次的地图来驾驶赛车；等到地图更新时，赛车早已撞车了。该团队用一个超快速的实时 GPS 取代了这张缓慢的地图。通过使用一种名为 FPGA（现场可编程门阵列）的特殊芯片，以及一种 RF-反射测量技术（利用无线电波监听电子的“声音”，而不是等待缓慢的电流），他们创建了一个比以前快数千倍的反馈回路。他们发现，这个新系统可以抑制高达 5 kHz 的噪声，有效地消除了通常会毁掉实验的“嗡嗡声”。这并不意味着他们已经解决了量子计算问题，但它证明了我们现在可以使电子的“家”保持稳定，从而在未来潜在地进行复杂的计算。

震动桌子上的叠叠乐塔

把硅双量子点想象成一个为电子建造的非常精致、拥有两个房间的房子。在这个房子里，墙壁是由隐形的电场构成的。为了让这个房子作为量子计算机工作，电子需要保持在一个非常特定的配置中，就像一座完美的叠叠乐塔。但这座房子下方的地面是摇晃的。周围材料中微小的、随机的电荷不断移动，产生了一种低频的“电荷噪声”。这种噪声就像一只缓慢、无形的手，不断地推动房子的墙壁，导致电子偏离它们完美的中心位置。如果它们漂移得太远，它们所承载的量子信息就会被搅乱并丢失。

为了解决这个问题，科学家使用了一种称为“反馈稳定化”的技术。这就像有一个机器人，不断检查叠叠乐塔的位置，并对墙壁进行微调，以保持平衡。在过去，这个机器人很慢。它会检查塔，计算修正方案，然后应用修正，但这个过程耗时太长（大约 0.3 Hz，即每隔几秒一次），以至于在机器人采取行动之前，塔就已经发生了显著的晃动。研究人员希望构建一个能够以“思维速度”移动的机器人。

超高速自动驾驶仪

由 Johnathan Bryan、Tim J. Wilson 和 Hong-Wen Jiang 领导的团队使用名为 OPX by Quantum Machines 的设备构建了一种新型自动驾驶仪。该设备包含一个强大的芯片（FPGA），可以进行极速运算。他们不再等待缓慢的电流来告诉他们电子在哪里，而是使用了一种称为 RF-反射测量法 的方法。

想象你在一个黑暗的房间里试图寻找一个特定的物体。与其走过去触摸它（这很慢），不如向它投掷一个球并听回声。如果物体移动了，回声也会改变。研究人员利用无线电波实现了这一点。他们将微波从量子点反射回去，并监听“回声”（反射信号）。这使得他们几乎可以瞬间感知电子的位置。

这个过程就像玩一场极速版的“靠近还是远离”游戏：

1. 监听： 系统测量“回声”以观察电子的位置。
2. 轻推： 它轻轻地微调其中一个电墙（栅极电压）的一小部分，以观察回声如何变化。
3. 计算： 它计算出应该朝哪个方向推动，才能让电子回到中心。
4. 修正： 它立即调整电压，将电子推回原位。

他们同时针对两个不同的“墙”（两个参数）进行了操作，创建了一个多参数反馈回路。

结果：消除嗡嗡声

团队通过引入一种虚假的、有节奏的摇晃（正弦扰动）来测试他们的系统，以观察自动驾驶仪是否能阻止这种摇晃。他们发现该系统非常有效。

• 速度： 他们可以在仅 81.8 微秒（即 0.0000818 秒）内完成一个完整的测量、计算和修正循环。
• 噪声抑制： 该系统成功地将频率高达 5 kHz 的噪声降低了 6 dB（显著降低了音量）。
• 对比： 使用缓慢电流测量的旧方法只能处理 0.3 Hz 的噪声。新方法在处理频率范围方面大约快了 16,000 倍。

论文明确指出，虽然这是一个巨大的进步，但它还不是解决一切问题的万灵药。该系统目前受限于测量信号的速度。如果他们能让测量信号更清晰（更好的信噪比），他们可能会做得更快。根据已知的物理定律（奈奎斯特-香农采样定理），他们当前设置的理论极限约为 6.1 kHz。

为什么这很重要

作者谨慎地指出，他们不能在运行量子计算机的同时开启这种反馈。不断调整电压以稳定量子点会破坏用于计算的脆弱量子态。相反，这个系统充当了“手刹”或“稳定器”，使设备保持在完美、就绪的状态。一旦设备稳定下来，就可以暂停反馈，然后进行量子计算。

这项工作表明，我们正接近实现构建大型、长时间保持稳定的量子点阵列的那一天。通过驯服多年来困扰这些系统的低频噪声，这种高速反馈回路是让量子计算机不仅能运行一瞬间，而且能可靠地运行复杂计算的关键一步。论文总结道，下一步是测试这种“交错式”方法（先稳定，再计算，再稳定）如何影响实际的量子信息质量，但就目前而言，他们已经证明了该“自动驾驶仪”是有效的，而且速度极快。