控制量子bit，克服量子中的直流偏置和尺寸挑戰(zhàn)

量子計(jì)算因其能夠解決普通計(jì)算機(jī)難以解決的復(fù)雜問題而受到關(guān)注。在這一過程中，直流偏置源等儀器起著至關(guān)重要的作用，尤其是對(duì)于通量可調(diào)的超導(dǎo)和硅自旋量子比特。直流偏置源有助于調(diào)整通量以決定超導(dǎo)量子比特的共振頻率，并將直流偏置電壓施加到硅自旋量子比特的每個(gè)柵極端子。此外，量子計(jì)算機(jī)中使用的量子比特?cái)?shù)量會(huì)增加機(jī)器的物理尺寸，這取決于控制量子比特所需的直流偏置源數(shù)量。

圖 1：用于通量可調(diào)超導(dǎo)和硅自旋量子比特的單量子比特控制和評(píng)估系統(tǒng)。紅色表示的儀器和線路代表直流電壓偏置源和接線。直流電壓偏置源有助于利用線圈中產(chǎn)生的磁通量來調(diào)整通量可調(diào)超導(dǎo)量子比特的共振頻率。對(duì)于硅自旋量子比特，直流電壓偏置源通過調(diào)整柵極端子的電位來工作

工程師可以使用控制評(píng)估系統(tǒng)來初始化、控制和讀取量子比特狀態(tài)，如圖 1 所示。該控制評(píng)估系統(tǒng)可以表征量子比特的相干時(shí)間和保真度等屬性并執(zhí)行基準(zhǔn)測(cè)試，從而推動(dòng)量子計(jì)算機(jī)的研究和開發(fā)。

量子比特直流偏置的挑戰(zhàn)

使用直流電源時(shí)面臨兩個(gè)重大挑戰(zhàn)：

· 由于直流電源噪聲和長(zhǎng)電纜中的環(huán)境干擾引起的電壓波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致量子比特退相干。

· 數(shù)量可能多達(dá)數(shù)百個(gè)的直流電源需要大量的存儲(chǔ)空間，并且可能引入顯著的量子位退相干。

量子比特極易受到噪聲和微小電壓波動(dòng)的影響。直流偏置電壓會(huì)迅速引起量子態(tài)的意外變化。這些變化會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)在量子比特中的信息丟失，這種現(xiàn)象稱為退相干。這會(huì)導(dǎo)致量子比特控制和評(píng)估的精度下降。此外，量子計(jì)算機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了可以超過 100 個(gè)量子比特的階段。確保有足夠的空間容納數(shù)百個(gè)通用電源，為每個(gè)量子比特提供獨(dú)立的直流偏置是必不可少的。

電壓波動(dòng)引起量子比特退相干

在量子世界中，量子比特處于狀態(tài)疊加中，同時(shí)代表 0 和 1。這種獨(dú)特屬性使它們?cè)谀承┯?jì)算中異常強(qiáng)大。然而，這也使它們對(duì)外部影響極其敏感。當(dāng)直流電源噪聲和環(huán)境干擾引入電壓波動(dòng)，從而擾亂量子比特疊加的微妙平衡時(shí)，挑戰(zhàn)就出現(xiàn)了。

即使電壓有絲毫變化，也會(huì)導(dǎo)致量子比特的量子態(tài)發(fā)生動(dòng)搖，從而導(dǎo)致退相干，降低計(jì)算的可靠性。這是量子計(jì)算面臨的一大挑戰(zhàn)，因?yàn)楸３至孔颖忍貞B(tài)的完整性對(duì)于準(zhǔn)確可靠的量子信息處理至關(guān)重要。

圖 2：傳播到量子位的直流電壓偏置波動(dòng)

直流偏置電壓的波動(dòng)主要導(dǎo)致直流電源輸出電壓噪聲。此外，環(huán)境干擾(例如電磁干擾和電纜的物理振動(dòng))也會(huì)導(dǎo)致電壓不穩(wěn)定。量子位對(duì)噪聲的敏感性需要持續(xù)監(jiān)測(cè)潛在的噪聲源。圖 2 說明了當(dāng)延長(zhǎng)電纜時(shí)，這種影響會(huì)變得更加明顯，因?yàn)橹绷麟娫礄C(jī)架距離低溫恒溫器入口較遠(yuǎn)，或者電源位于機(jī)架的下部。

電壓波動(dòng)破壞量子比特相干性，其根源在于量子系統(tǒng)的基本性質(zhì)。挑戰(zhàn)不僅在于防止外部干擾，還在于開發(fā)能夠保護(hù)量子比特免受這些干擾的工具和技術(shù)，確保穩(wěn)定、相干的量子態(tài)，以實(shí)現(xiàn)可靠的計(jì)算過程。

更大的量子計(jì)算機(jī)可以引入更多的量子比特退相干

量子計(jì)算機(jī)實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)重要方向是增加量子比特的數(shù)量，以運(yùn)行更復(fù)雜的量子算法。例如，目前正在開發(fā)的嘈雜中型量子 (NISQ) 機(jī)器需要實(shí)現(xiàn)數(shù)十到數(shù)百個(gè)量子比特。這意味著需要大量的直流電源，這些電源既需要物理存儲(chǔ)，又會(huì)給系統(tǒng)帶來大量噪聲。

直流偏置源的增多會(huì)給系統(tǒng)帶來額外的噪聲源。直流偏置源的噪聲可能源于以下幾個(gè)因素：

1. 電源缺陷：并非所有電源都是精確制造的，即使直流偏置源中的微小波動(dòng)或缺陷也會(huì)導(dǎo)致量子位操作中的噪聲。

2. 串?dāng)_：在附近有大量直流偏置源的裝置中，可能會(huì)發(fā)生串?dāng)_。這意味著對(duì)一個(gè)量子位偏置源所做的調(diào)整可能會(huì)影響相鄰的量子位，從而導(dǎo)致不必要的噪聲。

3. 電磁干擾 ( EMI )：多個(gè)直流偏置源在密閉空間內(nèi)運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生相互干擾的電磁場(chǎng)。這種干擾可以表現(xiàn)為干擾量子比特量子態(tài)的噪聲。

隨著直流偏置源的數(shù)量增加以容納更多的量子比特，系統(tǒng)的整體規(guī)模也隨之增加，這些噪聲源的累積效應(yīng)也變得更加明顯。每個(gè)額外的直流偏置源都會(huì)增加另一層潛在噪聲，使得保持量子比特狀態(tài)的精度和一致性變得十分困難。

圖 3：占用空間較大的 100 通道傳統(tǒng)精密電源配置

以使用 100 個(gè)量子位的量子計(jì)算機(jī)為例，為每個(gè)量子位提供直流偏置電壓是一項(xiàng)額外的挑戰(zhàn)。圖 3 說明每個(gè)量子位至少需要一個(gè)直流電源。測(cè)試機(jī)架必須至少容納 100 個(gè)電源通道才能偏置所有量子位。即使將典型尺寸為 2U 半機(jī)架的電源安裝在最大尺寸的機(jī)架中，單個(gè)機(jī)架也只能存儲(chǔ) 40 個(gè)通道。

因此，在實(shí)驗(yàn)室中，必須確保有足夠的空間(寬 180 厘米、深 90.5 厘米、高 182 厘米)來放置三個(gè)機(jī)架。這種必要性給量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室的物理空間帶來了后勤挑戰(zhàn)。這種空間挑戰(zhàn)不僅影響實(shí)驗(yàn)室的物理布局，還引發(fā)了對(duì)高效管理、可訪問性和設(shè)備維護(hù)的實(shí)際擔(dān)憂。

人們?cè)絹碓街匾曢_發(fā)緊湊高效的電源解決方案，以滿足每個(gè)量子位的個(gè)性化需求，同時(shí)最大限度地減少整體占用空間以應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。簡(jiǎn)化電源基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)于量子計(jì)算項(xiàng)目的可擴(kuò)展性至關(guān)重要，使研究人員能夠不受空間限制地?cái)U(kuò)展他們的量子系統(tǒng)。

實(shí)現(xiàn)有效且高效的量子計(jì)算開發(fā)

解決空間限制有助于擴(kuò)大量子計(jì)算工作，使研究人員能夠探索更大的量子系統(tǒng)。管理量子計(jì)算直流偏置源的電壓波動(dòng)和空間限制對(duì)于取得進(jìn)展至關(guān)重要。

圖 4：電壓源噪聲密度與源表和低噪聲濾波器適配器的組合

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須使用低噪聲電源或源表/源測(cè)量單元 (SMU) 來提供干凈的偏置電壓，并將其放置在盡可能靠近低溫恒溫器的位置。這種方法可以顯著減少由裸露的電纜長(zhǎng)度引起的不必要的環(huán)境干擾。

您可以將可選配件(例如低噪聲濾波器適配器 (LNF))連接到精密源表，以進(jìn)一步提高偏置電壓的穩(wěn)定性。在某些情況下，圖 4 顯示了將噪聲水平降低到 25 μV rms(10 Hz 至 20 MHz，6 V 范圍)的情況。

圖 5 從機(jī)架設(shè)置角度顯示，使用通道密度緊湊的源表可以直接放置在低溫恒溫器的入口處，即使在高處也是如此。這種方法將大大有助于最大限度地減少直流電壓偏置波動(dòng)，從而通過較長(zhǎng)的相干時(shí)間實(shí)現(xiàn)理想的量子控制和精確的量子比特表征。

圖 5：100 通道配置，高密度源儀表靠近低溫恒溫器設(shè)置，提供干凈的直流偏置電壓

盡量減少偏置電壓波動(dòng)的技巧

鑒于周圍環(huán)境和實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)直流偏置波動(dòng)有重大影響，要獲得干凈的偏置電壓需要正確的設(shè)置和使用。在構(gòu)建直流偏置線時(shí)，您可以通過注意某些方面來最大限度地降低電壓噪聲并有效利用高精度源測(cè)量單元和低噪聲濾波器。

避免接地環(huán)路

為每臺(tái)儀器使用不同的接地會(huì)形成一個(gè)稱為接地環(huán)路的電路。接地環(huán)路可能成為噪聲源。圖 6 說明了穩(wěn)定直流偏置電壓的步驟。必須使用單點(diǎn)接地等技術(shù)來避免接地環(huán)路。

圖 6：形成接地環(huán)路(左)和避免接地環(huán)路(右)的布線示例

選擇正確的 LF 端子電位

您可以將 LF 端子短接至框架接地，也可以讓其懸空。這種選擇可能會(huì)影響直流偏置電壓的噪聲水平。如果您的系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì) LF 端子的電位沒有特定要求，您可以嘗試這兩種配置，然后選擇產(chǎn)生更好結(jié)果的配置。

布線以盡量減少電磁干擾影響

根據(jù)法拉第定律，如果 HF 和 LF 電纜在空間上分離，電磁感應(yīng)會(huì)產(chǎn)生噪聲。為了防止這種情況發(fā)生，請(qǐng)盡可能將 HF 和 LF 電纜靠近，或使用雙絞線配置。

結(jié)論

為了解決這些挑戰(zhàn)，請(qǐng)使用有助于提供高通道密度、低噪聲和精密電壓供應(yīng)的源儀表選項(xiàng)組合，為超過 100 個(gè)量子比特提供穩(wěn)定、干凈的偏置電壓。確保源儀表盡可能靠近低溫恒溫器，以最大限度地減少長(zhǎng)電纜的電磁干擾。始終注意 LF 終端的潛在配置，避免接地環(huán)路，并實(shí)施雙絞線配置，以進(jìn)一步減少法拉第定律的影響。