隨著量子計(jì)算研究從驗(yàn)證少數(shù)量子比特的可行性，轉(zhuǎn)向大規(guī)模擴(kuò)展物理量子比特以實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算，測(cè)量技術(shù)的精確性和可靠性變得愈發(fā)關(guān)鍵。在荷蘭代爾夫特理工大學(xué)納米科學(xué)研究所，科學(xué)家們正在硅基自旋量子比特領(lǐng)域開展前沿探索。在其復(fù)雜的低溫測(cè)量系統(tǒng)中，一臺(tái)數(shù)字化儀承擔(dān)著采集量子處理器輸出信號(hào)的關(guān)鍵任務(wù)。

一、方案背景：硅基量子計(jì)算的技術(shù)挑戰(zhàn)

基于量子點(diǎn)的自旋量子比特，因其具備高密度集成、全電子化操作以及與現(xiàn)有半導(dǎo)體工業(yè)平臺(tái)兼容的潛力，成為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算的重要技術(shù)路線之一。目前，研究人員已能在該系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)量子比特的初始化、單比特讀取、單比特門和兩比特門操作。

然而，將這些基本單元集成為一個(gè)可編程的雙量子比特系統(tǒng)時(shí)，新的技術(shù)挑戰(zhàn)隨之出現(xiàn)。量子比特間的串?dāng)_、量子態(tài)泄漏、多參數(shù)校準(zhǔn)以及高精度控制硬件的協(xié)同工作，都對(duì)測(cè)量系統(tǒng)提出了更高要求。在這一研究階段，對(duì)量子處理器輸出信號(hào)的精確采集，成為驗(yàn)證器件功能和優(yōu)化操作的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。

二、技術(shù)路線：低溫測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成與信號(hào)流程

在代爾夫特理工大學(xué)的實(shí)驗(yàn)中，研究人員搭建了一套完整的低溫測(cè)量系統(tǒng)，用于操控和讀取硅基雙量子比特處理器。

低溫測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成與信號(hào)流程圖

系統(tǒng)的信號(hào)流程如下：

1.極低溫環(huán)境

量子處理器芯片被封裝在印刷電路板上，安裝于稀釋制冷機(jī)的混合室中，工作溫度約為20毫開爾文，為量子比特的穩(wěn)定運(yùn)行提供必要條件。

2.控制信號(hào)的生成與傳輸

直流偏置：通過(guò)室溫下的數(shù)模轉(zhuǎn)換器對(duì)所有電極施加直流電壓，用于形成量子點(diǎn)并調(diào)節(jié)量子比特的工作點(diǎn)。

快速脈沖控制：一臺(tái)Tektronix 5014C任意波形發(fā)生器以1 GHz時(shí)鐘速率，向柱塞柵極施加電壓脈沖，用于操控量子態(tài)。

微波驅(qū)動(dòng)：為進(jìn)行電偶極自旋共振實(shí)驗(yàn)，兩臺(tái)Keysight E8267D矢量微波源分別向兩個(gè)量子比特施加18-20 GHz的微波信號(hào)。微波的相位、頻率、幅度和持續(xù)時(shí)間通過(guò)另一臺(tái)Tektronix 5041C任意波形發(fā)生器進(jìn)行I/Q矢量調(diào)制。該任意波形發(fā)生器作為系統(tǒng)的主設(shè)備，為其他儀器提供同步觸發(fā)信號(hào)。

3.讀出信號(hào)的調(diào)理與采集

信號(hào)轉(zhuǎn)換與放大：量子態(tài)信息通過(guò)傳感器電流進(jìn)行讀取。該電流信號(hào)經(jīng)自制預(yù)放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再通過(guò)隔離放大器切斷接地環(huán)路，降低外部干擾。

濾波處理：信號(hào)通過(guò)SIM965模擬濾波器進(jìn)行20 kHz貝塞爾低通濾波，以抑制高頻噪聲。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：在信號(hào)讀取過(guò)程中，FPGA對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，根據(jù)預(yù)設(shè)電壓閾值對(duì)特定軌跡進(jìn)行標(biāo)記。

數(shù)字化采集：經(jīng)過(guò)調(diào)理的電壓信號(hào)，最終由計(jì)算機(jī)內(nèi)的德思特優(yōu)質(zhì)合作伙伴Spectrum儀器數(shù)字化儀M4i.44xx系列進(jìn)行測(cè)量和采集，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)供后續(xù)分析處理。

Spectrum數(shù)字化儀M4i.44xx系列

三、方案價(jià)值：數(shù)字化儀在量子測(cè)量中的作用

在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，德思特優(yōu)質(zhì)合作伙伴Spectrum儀器M4i.44xx系列數(shù)字化儀完成了信號(hào)鏈路的最終環(huán)節(jié)——將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為可供計(jì)算機(jī)分析的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。其在該應(yīng)用中的價(jià)值體現(xiàn)在以下方面：

信號(hào)保真度：數(shù)字化儀的分辨率指標(biāo)能夠匹配實(shí)驗(yàn)中微弱電壓信號(hào)的測(cè)量需求，確保采集到的數(shù)據(jù)能夠反映量子比特的真實(shí)狀態(tài)。

系統(tǒng)兼容性：作為標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，該數(shù)字化儀能夠與任意波形發(fā)生器、微波源等儀器協(xié)同工作，在復(fù)雜的時(shí)序控制體系中完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

運(yùn)行穩(wěn)定性：在持續(xù)運(yùn)行的低溫測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)采集設(shè)備的可靠性直接影響實(shí)驗(yàn)效率。該數(shù)字化儀在長(zhǎng)期數(shù)據(jù)采集中保持了穩(wěn)定的性能表現(xiàn)。

-END-

代爾夫特理工大學(xué)的這項(xiàng)研究顯示，量子處理器的功能驗(yàn)證和性能優(yōu)化，依賴于完整、可靠的測(cè)量鏈路。在信號(hào)調(diào)理之后，數(shù)字化儀作為數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)的核心設(shè)備，為研究人員提供了分析量子比特行為的原始數(shù)據(jù)，支撐了可編程硅基雙量子比特處理器的實(shí)驗(yàn)研究。

審核編輯 黃宇