隨著量子計算研究從驗證少數(shù)量子比特的可行性，轉向大規(guī)模擴展物理量子比特以實現(xiàn)容錯量子計算，測量技術的精確性和可靠性變得愈發(fā)關鍵。在荷蘭代爾夫特理工大學納米科學研究所，科學家們正在硅基自旋量子比特領域開展前沿探索。在其復雜的低溫測量系統(tǒng)中，一臺數(shù)字化儀承擔著采集量子處理器輸出信號的關鍵任務。

一、方案背景：硅基量子計算的技術挑戰(zhàn)

基于量子點的自旋量子比特，因其具備高密度集成、全電子化操作以及與現(xiàn)有半導體工業(yè)平臺兼容的潛力，成為實現(xiàn)大規(guī)模量子計算的重要技術路線之一。目前，研究人員已能在該系統(tǒng)中實現(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可編程的雙量子比特系統(tǒng)時，新的技術挑戰(zhàn)隨之出現(xiàn)。量子比特間的串擾、量子態(tài)泄漏、多參數(shù)校準以及高精度控制硬件的協(xié)同工作，都對測量系統(tǒng)提出了更高要求。在這一研究階段，對量子處理器輸出信號的精確采集，成為驗證器件功能和優(yōu)化操作的基礎環(huán)節(jié)。

二、技術路線：低溫測量系統(tǒng)的構成與信號流程

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

低溫測量系統(tǒng)構成與信號流程圖

系統(tǒng)的信號流程如下：

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)定運行提供必要條件。

2.控制信號的生成與傳輸

直流偏置：通過室溫下的數(shù)模轉換器對所有電極施加直流電壓，用于形成量子點并調節(jié)量子比特的工作點。

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

微波驅動：為進行電偶極自旋共振實驗，兩臺Keysight E8267D矢量微波源分別向兩個量子比特施加18-20 GHz的微波信號。微波的相位、頻率、幅度和持續(xù)時間通過另一臺Tektronix 5041C任意波形發(fā)生器進行I/Q矢量調制。該任意波形發(fā)生器作為系統(tǒng)的主設備，為其他儀器提供同步觸發(fā)信號。

3.讀出信號的調理與采集

信號轉換與放大：量子態(tài)信息通過傳感器電流進行讀取。該電流信號經(jīng)自制預放大器轉換為電壓信號，再通過隔離放大器切斷接地環(huán)路，降低外部干擾。

濾波處理：信號通過SIM965模擬濾波器進行20 kHz貝塞爾低通濾波，以抑制高頻噪聲。

實時監(jiān)測：在信號讀取過程中，FPGA對信號進行實時分析，根據(jù)預設電壓閾值對特定軌跡進行標記。

數(shù)字化采集：經(jīng)過調理的電壓信號，最終由計算機內的德思特優(yōu)質合作伙伴Spectrum儀器數(shù)字化儀M4i.44xx系列進行測量和采集，轉換為數(shù)字信號供后續(xù)分析處理。

Spectrum數(shù)字化儀M4i.44xx系列

三、方案價值：數(shù)字化儀在量子測量中的作用

在該實驗系統(tǒng)中，德思特優(yōu)質合作伙伴Spectrum儀器M4i.44xx系列數(shù)字化儀完成了信號鏈路的最終環(huán)節(jié)——將模擬電壓信號轉換為可供計算機分析的數(shù)字數(shù)據(jù)。其在該應用中的價值體現(xiàn)在以下方面：

信號保真度：數(shù)字化儀的分辨率指標能夠匹配實驗中微弱電壓信號的測量需求，確保采集到的數(shù)據(jù)能夠反映量子比特的真實狀態(tài)。

系統(tǒng)兼容性：作為標準化的數(shù)據(jù)采集設備，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，在復雜的時序控制體系中完成數(shù)據(jù)采集任務。

運行穩(wěn)定性：在持續(xù)運行的低溫測量實驗中，數(shù)據(jù)采集設備的可靠性直接影響實驗效率。該數(shù)字化儀在長期數(shù)據(jù)采集中保持了穩(wěn)定的性能表現(xiàn)。

-END-

代爾夫特理工大學的這項研究顯示，量子處理器的功能驗證和性能優(yōu)化，依賴于完整、可靠的測量鏈路。在信號調理之后，數(shù)字化儀作為數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)的核心設備，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驗研究。

審核編輯 黃宇