為什么低溫微波功率測量對量子計算很重要？

低溫 （cryo） 微波 （μW） 功率測量對于推進(jìn)量子計算至關(guān)重要。精密的量子器件需要在低溫下運行，以保持相干性和穩定性。還需要在低溫下進(jìn)行精確的功率測量，以?xún)?yōu)化和調試量子硬件。

本文首先回顧了量子計算機中的冷凍區和相關(guān)的 μW 計量需求。然后，本文探討了如何使用 μw 校準單元 （MCU） 在最冷的低溫區進(jìn)行功率測量，最后考慮了低溫輻射熱計的具體實(shí)施方式，用于進(jìn)行熱量測量和表征 μw 運行。

許多量子處理器在毫開(kāi)爾文 （mK） 范圍內的溫度下運行。這些計算機使用 μw 脈沖來(lái)聲明和作量子比特。量子計算系統具有從室溫到 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，并將測量結果與在室溫下運行的外部系統相關(guān)聯(lián)（圖 1）。關(guān)鍵測量包括散射 （S） 參數、功耗和噪聲。

圖 1.用于量子計算的 Cryo μW 功率計量（塊箱）結合了室溫下的 μW 計量（紅框）和低溫切片中的 μW 計量（藍框）。（圖片：劍橋大學(xué)）)

低溫 μw 功率測量是通過(guò)將輸入信號轉換為熱量來(lái)進(jìn)行的，熱量可以由輻射熱計或過(guò)渡邊緣傳感器等專(zhuān)用傳感器檢測到。用于創(chuàng )建低溫環(huán)境的多級稀釋制冷機結構復雜，需要仔細的校準程序來(lái)考慮可能影響測量準確性的電纜損耗和其他熱效應。

使用已知的直流電流校準氣象系統，并測量溫升。校準系統后，傳感器可以吸收 μW 功率，導致溫度升高和相應的直流電，可以直接轉換為功率測量。

系統必須針對特定的 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。測量 S 參數以全面表征通過(guò) cryo 系統的 μw 信號傳輸，提供有關(guān)不同頻率下的反射和傳輸系數的數據。

Cryo S 參數 MCU

圖 2 顯示了一種用于表征 cryo 系統性能的結構。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頂部，MCU 位于<20 mK 部分，與被測設備 （DUT） 一起。

圖 2.Cryo μw S 參數測試架構。（圖片：IEEE Access)

互連器件必須支持高達幾 GHz 的 μW 頻率的高性能，并提供高熱衰減。到達最冷部分的熱光子數量必須遠低于單光子水平，以確?？煽康牧孔颖忍刈?。

Cryo μW 輻射熱計

已經(jīng)制造了一種低溫 μW 輻射熱計來(lái)量化量子計算機組件的性能。該設計如圖 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，其中 （a） 是整體結構的偽彩色圖像，（b） 是電路圖，（c） 是探測器的偽彩色掃描電子顯微鏡圖像。（圖片：AIP Publishing)

總結

在優(yōu)化和調試量子計算硬件時(shí)，在低溫下進(jìn)行準確的 μW 功率測量非常重要。這些計算機中的量子比特使用 μw 脈沖進(jìn)行控制。為了全面表征通過(guò)低溫系統的 μw 信號傳輸，必須對 S 參數進(jìn)行表征，以提供有關(guān) GHz 頻率下反射和傳輸系數的數據。