為什么低溫微波功率測(cè)量對(duì)量子計(jì)算很重要？

低溫 （cryo） 微波 （μW） 功率測(cè)量對(duì)于推進(jìn)量子計(jì)算至關(guān)重要。精密的量子器件需要在低溫下運(yùn)行，以保持相干性和穩(wěn)定性。還需要在低溫下進(jìn)行精確的功率測(cè)量，以優(yōu)化和調(diào)試量子硬件。

本文首先回顧了量子計(jì)算機(jī)中的冷凍區(qū)和相關(guān)的 μW 計(jì)量需求。然后，本文探討了如何使用 μw 校準(zhǔn)單元 （MCU） 在最冷的低溫區(qū)進(jìn)行功率測(cè)量，最后考慮了低溫輻射熱計(jì)的具體實(shí)施方式，用于進(jìn)行熱量測(cè)量和表征 μw 運(yùn)行。

許多量子處理器在毫開(kāi)爾文 （mK） 范圍內(nèi)的溫度下運(yùn)行。這些計(jì)算機(jī)使用 μw 脈沖來(lái)聲明和作量子比特。量子計(jì)算系統(tǒng)具有從室溫到 mK 的溫度范圍。

量子處理器中使用的 μw 組件（包括放大器、濾波器和混頻器）的性能必須在其工作溫度下進(jìn)行表征，并將測(cè)量結(jié)果與在室溫下運(yùn)行的外部系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)（圖 1）。關(guān)鍵測(cè)量包括散射 （S） 參數(shù)、功耗和噪聲。

圖 1.用于量子計(jì)算的 Cryo μW 功率計(jì)量（塊箱）結(jié)合了室溫下的 μW 計(jì)量（紅框）和低溫切片中的 μW 計(jì)量（藍(lán)框）。（圖片：劍橋大學(xué)）)

低溫 μw 功率測(cè)量是通過(guò)將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為熱量來(lái)進(jìn)行的，熱量可以由輻射熱計(jì)或過(guò)渡邊緣傳感器等專用傳感器檢測(cè)到。用于創(chuàng)建低溫環(huán)境的多級(jí)稀釋制冷機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要仔細(xì)的校準(zhǔn)程序來(lái)考慮可能影響測(cè)量準(zhǔn)確性的電纜損耗和其他熱效應(yīng)。

使用已知的直流電流校準(zhǔn)氣象系統(tǒng)，并測(cè)量溫升。校準(zhǔn)系統(tǒng)后，傳感器可以吸收 μW 功率，導(dǎo)致溫度升高和相應(yīng)的直流電，可以直接轉(zhuǎn)換為功率測(cè)量。

系統(tǒng)必須針對(duì)特定的 μW 頻率范圍進(jìn)行優(yōu)化，并且必須管理任何噪聲源，以將干擾降低到可接受的水平。測(cè)量 S 參數(shù)以全面表征通過(guò) cryo 系統(tǒng)的 μw 信號(hào)傳輸，提供有關(guān)不同頻率下的反射和傳輸系數(shù)的數(shù)據(jù)。

Cryo S 參數(shù) MCU

圖 2 顯示了一種用于表征 cryo 系統(tǒng)性能的結(jié)構(gòu)。稀釋冰箱有六個(gè)階段，將溫度從室溫（約 300 K）降至 20 mK 以下。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在室溫下位于系統(tǒng)頂部，MCU 位于<20 mK 部分，與被測(cè)設(shè)備 （DUT） 一起。

圖 2.Cryo μw S 參數(shù)測(cè)試架構(gòu)。（圖片：IEEE Access)

互連器件必須支持高達(dá)幾 GHz 的 μW 頻率的高性能，并提供高熱衰減。到達(dá)最冷部分的熱光子數(shù)量必須遠(yuǎn)低于單光子水平，以確?？煽康牧孔颖忍刈鳌?/p>

Cryo μW 輻射熱計(jì)

已經(jīng)制造了一種低溫 μW 輻射熱計(jì)來(lái)量化量子計(jì)算機(jī)組件的性能。該設(shè)計(jì)如圖 3 所示，具有三個(gè)元件：直流加熱器、熱吸收器和讀出電路。

圖 3.Cryo μW 輻射熱計(jì)，其中 （a） 是整體結(jié)構(gòu)的偽彩色圖像，（b） 是電路圖，（c） 是探測(cè)器的偽彩色掃描電子顯微鏡圖像。（圖片：AIP Publishing)

總結(jié)

在優(yōu)化和調(diào)試量子計(jì)算硬件時(shí)，在低溫下進(jìn)行準(zhǔn)確的 μW 功率測(cè)量非常重要。這些計(jì)算機(jī)中的量子比特使用 μw 脈沖進(jìn)行控制。為了全面表征通過(guò)低溫系統(tǒng)的 μw 信號(hào)傳輸，必須對(duì) S 參數(shù)進(jìn)行表征，以提供有關(guān) GHz 頻率下反射和傳輸系數(shù)的數(shù)據(jù)。