捕捉量子比特信号：数字化仪在可编程硅基量子处理器测试中的应用

随着量子计算研究从验证少数量子比特的可行性，转向大规模扩展物理量子比特以实现容错量子计算，测量技术的精确性和可靠性变得愈发关键。在荷兰代尔夫特理工大学纳米科学研究所，科学家们正在硅基自旋量子比特领域开展前沿探索。在其复杂的低温测量系统中，一台数字化仪承担着采集量子处理器输出信号的关键任务。

一、方案背景：硅基量子计算的技术挑战

基于量子点的自旋量子比特，因其具备高密度集成、全电子化操作以及与现有半导体工业平台兼容的潜力，成为实现大规模量子计算的重要技术路线之一。目前，研究人员已能在该系统中实现量子比特的初始化、单比特读取、单比特门和两比特门操作。

然而，将这些基本单元集成为一个可编程的双量子比特系统时，新的技术挑战随之出现。量子比特间的串扰、量子态泄漏、多参数校准以及高精度控制硬件的协同工作，都对测量系统提出了更高要求。在这一研究阶段，对量子处理器输出信号的精确采集，成为验证器件功能和优化操作的基础环节。

二、技术路线：低温测量系统的构成与信号流程

在代尔夫特理工大学的实验中，研究人员搭建了一套完整的低温测量系统，用于操控和读取硅基双量子比特处理器。

系统的信号流程如下：

1.极低温环境

量子处理器芯片被封装在印刷电路板上，安装于稀释制冷机的混合室中，工作温度约为20毫开尔文，为量子比特的稳定运行提供必要条件。

2.控制信号的生成与传输

• 直流偏置：通过室温下的数模转换器对所有电极施加直流电压，用于形成量子点并调节量子比特的工作点。
• 快速脉冲控制：一台Tektronix 5014C任意波形发生器以1 GHz时钟速率，向柱塞栅极施加电压脉冲，用于操控量子态。
• 微波驱动：为进行电偶极自旋共振实验，两台Keysight E8267D矢量微波源分别向两个量子比特施加18-20 GHz的微波信号。微波的相位、频率、幅度和持续时间通过另一台Tektronix 5041C任意波形发生器进行I/Q矢量调制。该任意波形发生器作为系统的主设备，为其他仪器提供同步触发信号。

3.读出信号的调理与采集

• 信号转换与放大：量子态信息通过传感器电流进行读取。该电流信号经自制预放大器转换为电压信号，再通过隔离放大器切断接地环路，降低外部干扰。
• 滤波处理：信号通过SIM965模拟滤波器进行20 kHz贝塞尔低通滤波，以抑制高频噪声。
• 实时监测：在信号读取过程中，FPGA对信号进行实时分析，根据预设电压阈值对特定轨迹进行标记。
• 数字化采集：经过调理的电压信号，最终由计算机内的德思特优质合作伙伴Spectrum仪器数字化仪M4i.44xx系列进行测量和采集，转换为数字信号供后续分析处理。

三、方案价值：数字化仪在量子测量中的作用

在该实验系统中，德思特优质合作伙伴Spectrum仪器M4i.44xx系列数字化仪完成了信号链路的最终环节——将模拟电压信号转换为可供计算机分析的数字数据。其在该应用中的价值体现在以下方面：

• 信号保真度：数字化仪的分辨率指标能够匹配实验中微弱电压信号的测量需求，确保采集到的数据能够反映量子比特的真实状态。
• 系统兼容性：作为标准化的数据采集设备，该数字化仪能够与任意波形发生器、微波源等仪器协同工作，在复杂的时序控制体系中完成数据采集任务。
• 运行稳定性：在持续运行的低温测量实验中，数据采集设备的可靠性直接影响实验效率。该数字化仪在长期数据采集中保持了稳定的性能表现。

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代尔夫特理工大学的这项研究显示，量子处理器的功能验证和性能优化，依赖于完整、可靠的测量链路。在信号调理之后，数字化仪作为数据采集环节的核心设备，为研究人员提供了分析量子比特行为的原始数据，支撑了可编程硅基双量子比特处理器的实验研究。