控制量子bit，克服量子中的直流偏置和尺寸挑战

量子计算因其能够解决普通计算机难以解决的复杂问题而受到关注。在这一过程中，直流偏置源等仪器起着至关重要的作用，尤其是对于通量可调的超导和硅自旋量子比特。直流偏置源有助于调整通量以决定超导量子比特的共振频率，并将直流偏置电压施加到硅自旋量子比特的每个栅极端子。此外，量子计算机中使用的量子比特数量会增加机器的物理尺寸，这取决于控制量子比特所需的直流偏置源数量。

图 1：用于通量可调超导和硅自旋量子比特的单量子比特控制和评估系统。红色表示的仪器和线路代表直流电压偏置源和接线。直流电压偏置源有助于利用线圈中产生的磁通量来调整通量可调超导量子比特的共振频率。对于硅自旋量子比特，直流电压偏置源通过调整栅极端子的电位来工作

工程师可以使用控制评估系统来初始化、控制和读取量子比特状态，如图 1 所示。该控制评估系统可以表征量子比特的相干时间和保真度等属性并执行基准测试，从而推动量子计算机的研究和开发。

量子比特直流偏置的挑战

使用直流电源时面临两个重大挑战：

· 由于直流电源噪声和长电缆中的环境干扰引起的电压波动会导致量子比特退相干。

· 数量可能多达数百个的直流电源需要大量的存储空间，并且可能引入显著的量子位退相干。

量子比特极易受到噪声和微小电压波动的影响。直流偏置电压会迅速引起量子态的意外变化。这些变化会导致存储在量子比特中的信息丢失，这种现象称为退相干。这会导致量子比特控制和评估的精度下降。此外，量子计算机现在已经达到了可以超过 100 个量子比特的阶段。确保有足够的空间容纳数百个通用电源，为每个量子比特提供独立的直流偏置是必不可少的。

电压波动引起量子比特退相干

在量子世界中，量子比特处于状态叠加中，同时代表 0 和 1。这种独特属性使它们在某些计算中异常强大。然而，这也使它们对外部影响极其敏感。当直流电源噪声和环境干扰引入电压波动，从而扰乱量子比特叠加的微妙平衡时，挑战就出现了。

即使电压有丝毫变化，也会导致量子比特的量子态发生动摇，从而导致退相干，降低计算的可靠性。这是量子计算面临的一大挑战，因为保持量子比特态的完整性对于准确可靠的量子信息处理至关重要。

图 2：传播到量子位的直流电压偏置波动

直流偏置电压的波动主要导致直流电源输出电压噪声。此外，环境干扰(例如电磁干扰和电缆的物理振动)也会导致电压不稳定。量子位对噪声的敏感性需要持续监测潜在的噪声源。图 2 说明了当延长电缆时，这种影响会变得更加明显，因为直流电源机架距离低温恒温器入口较远，或者电源位于机架的下部。

电压波动破坏量子比特相干性，其根源在于量子系统的基本性质。挑战不仅在于防止外部干扰，还在于开发能够保护量子比特免受这些干扰的工具和技术，确保稳定、相干的量子态，以实现可靠的计算过程。

更大的量子计算机可以引入更多的量子比特退相干

量子计算机实际应用的一个重要方向是增加量子比特的数量，以运行更复杂的量子算法。例如，目前正在开发的嘈杂中型量子 (NISQ) 机器需要实现数十到数百个量子比特。这意味着需要大量的直流电源，这些电源既需要物理存储，又会给系统带来大量噪声。

直流偏置源的增多会给系统带来额外的噪声源。直流偏置源的噪声可能源于以下几个因素：

1. 电源缺陷：并非所有电源都是精确制造的，即使直流偏置源中的微小波动或缺陷也会导致量子位操作中的噪声。

2. 串扰：在附近有大量直流偏置源的装置中，可能会发生串扰。这意味着对一个量子位偏置源所做的调整可能会影响相邻的量子位，从而导致不必要的噪声。

3. 电磁干扰 ( EMI )：多个直流偏置源在密闭空间内运行会产生相互干扰的电磁场。这种干扰可以表现为干扰量子比特量子态的噪声。

随着直流偏置源的数量增加以容纳更多的量子比特，系统的整体规模也随之增加，这些噪声源的累积效应也变得更加明显。每个额外的直流偏置源都会增加另一层潜在噪声，使得保持量子比特状态的精度和一致性变得十分困难。

图 3：占用空间较大的 100 通道传统精密电源配置

以使用 100 个量子位的量子计算机为例，为每个量子位提供直流偏置电压是一项额外的挑战。图 3 说明每个量子位至少需要一个直流电源。测试机架必须至少容纳 100 个电源通道才能偏置所有量子位。即使将典型尺寸为 2U 半机架的电源安装在最大尺寸的机架中，单个机架也只能存储 40 个通道。

因此，在实验室中，必须确保有足够的空间(宽 180 厘米、深 90.5 厘米、高 182 厘米)来放置三个机架。这种必要性给量子计算实验室的物理空间带来了后勤挑战。这种空间挑战不仅影响实验室的物理布局，还引发了对高效管理、可访问性和设备维护的实际担忧。

人们越来越重视开发紧凑高效的电源解决方案，以满足每个量子位的个性化需求，同时最大限度地减少整体占用空间以应对这一挑战。简化电源基础设施对于量子计算项目的可扩展性至关重要，使研究人员能够不受空间限制地扩展他们的量子系统。

实现有效且高效的量子计算开发

解决空间限制有助于扩大量子计算工作，使研究人员能够探索更大的量子系统。管理量子计算直流偏置源的电压波动和空间限制对于取得进展至关重要。

图 4：电压源噪声密度与源表和低噪声滤波器适配器的组合

为了实现这一目标，必须使用低噪声电源或源表/源测量单元 (SMU) 来提供干净的偏置电压，并将其放置在尽可能靠近低温恒温器的位置。这种方法可以显著减少由裸露的电缆长度引起的不必要的环境干扰。

您可以将可选配件(例如低噪声滤波器适配器 (LNF))连接到精密源表，以进一步提高偏置电压的稳定性。在某些情况下，图 4 显示了将噪声水平降低到 25 µV rms(10 Hz 至 20 MHz，6 V 范围)的情况。

图 5 从机架设置角度显示，使用通道密度紧凑的源表可以直接放置在低温恒温器的入口处，即使在高处也是如此。这种方法将大大有助于最大限度地减少直流电压偏置波动，从而通过较长的相干时间实现理想的量子控制和精确的量子比特表征。

图 5：100 通道配置，高密度源仪表靠近低温恒温器设置，提供干净的直流偏置电压

尽量减少偏置电压波动的技巧

鉴于周围环境和实验装置对直流偏置波动有重大影响，要获得干净的偏置电压需要正确的设置和使用。在构建直流偏置线时，您可以通过注意某些方面来最大限度地降低电压噪声并有效利用高精度源测量单元和低噪声滤波器。

避免接地环路

为每台仪器使用不同的接地会形成一个称为接地环路的电路。接地环路可能成为噪声源。图 6 说明了稳定直流偏置电压的步骤。必须使用单点接地等技术来避免接地环路。

图 6：形成接地环路(左)和避免接地环路(右)的布线示例

选择正确的 LF 端子电位

您可以将 LF 端子短接至框架接地，也可以让其悬空。这种选择可能会影响直流偏置电压的噪声水平。如果您的系统设计对 LF 端子的电位没有特定要求，您可以尝试这两种配置，然后选择产生更好结果的配置。

布线以尽量减少电磁干扰影响

根据法拉第定律，如果 HF 和 LF 电缆在空间上分离，电磁感应会产生噪声。为了防止这种情况发生，请尽可能将 HF 和 LF 电缆靠近，或使用双绞线配置。

结论

为了解决这些挑战，请使用有助于提供高通道密度、低噪声和精密电压供应的源仪表选项组合，为超过 100 个量子比特提供稳定、干净的偏置电压。确保源仪表尽可能靠近低温恒温器，以最大限度地减少长电缆的电磁干扰。始终注意 LF 终端的潜在配置，避免接地环路，并实施双绞线配置，以进一步减少法拉第定律的影响。