读出错误减少一个数量级，腾讯发布自研新型量子参量放大器
The following article is from 腾讯量子实验室 Author 量子妹
腾讯量子实验室持续关注和研究全栈量子计算机系统中的相关问题，在量子比特测控方面，包括比特读取在内的多个方向取得了阶段性的成果。腾讯量子实验室从实际需求出发，结合国内外超导量子计算项目特点，自主研发并生产了一款具有创新设计的阻抗匹配量子参量放大器（impedance-matched parametric amplifier, IMPA）。
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研发背景
超导体系作为目前主流的量子计算方案之一，在比特的初始化、门操作和态读取方面都有着较为系统的解决方案。其中在态读取方案中，色散读取是目前使用较为广泛的方法。其基本原理为：首先向与比特耦合的谐振腔施加微波读取信号，再通过被反射的读取信号的相位偏移量来判断超导比特的状态。但是，由于量子比特十分脆弱，即使使用色散读取，施加的读取信号也必须非常微弱才能保证比特不会因为观测而跳变。为了在嘈杂的环境之中依然可以清晰地分辨出极其微弱的读取信号，我们需要对其进行多级放大。相比于类型纷繁的经典放大器，量子约瑟夫森参量放大器（Josephson parametric amplifier，JPA）的大量宏观自由度在超导状态下被冻结，从而避免引入额外的噪声，可以完美胜任读取信号一级放大的精细任务。
这里我们可以做一个简单的推算。高电子迁移率二极管放大器（HEMT）作为常见的低噪声放大器通常每秒添加10个光子的噪声，这已经与超导比特能够承受的最高读取信号强度接近。如果不使用JPA进行一级放大，直接经过HEMT放大的信噪比将是1左右。此时我们就如同置身于喧嚣的集市，无法准确地听到读取信号传递来的比特状态。为解决这一问题，可以在HEMT之前添加一个增益为10dB的JPA，读取信号就将被放大十倍，到达100个左右的光子。
同时，由于JPA不会添加额外噪声，即使考虑之后HEMT添加的噪声，相比于已经上百的信号本身，总噪声也将是相对较小的20个光子。JPA就如同给读取信号加上了一个喇叭，让我们可以在嘈杂的环境中清晰地听到比特的状态。由于读取信号的区分度随信噪比指数提高，在使用JPA的情况下，超导比特的读取保真度可从80-90%大幅提升至98%以上。换言之，JPA可以将读取错误缩小一个数量级！
图1 超导量子比特的色散读取
在超导量子计算的发展进程中，比特数目和质量始终是研究者的不懈追求。随着比特数目的增加，为了节省宝贵的片上空间，人们希望JPA能够支持读取信号的多路复用，这就对JPA的带宽提出了要求。作为谐振电路的一种，JPA同样有着“Q与带宽的乘积为常数”的根本限制，这导致JPA在增益高的同时带宽较窄，通常只用于单比特读取。为了增大JPA的带宽，研究者们开发出了多种多样的宽带量子极限放大器。当前IMPA可实现的带宽普遍分布在200MHz-600MHz范围。IMPA作为JPA适应于多量子比特体系的实用升级，广泛应用于包括首个量子霸权实验在内的多项研究中，已经成为超导量子计算不可或缺的器件。
相比于常见的IMPA设计，腾讯量子实验室经过不断创新与尝试，在保证增益的同时，优化了带宽，易用性和插入损耗等指标。通过借鉴经典放大器中的阻抗匹配方法，实验室自研了具有全新设计的IMPA（专利申请中），在保证较高增益的同时，最大可以实现15dB以上1.1GHz的带宽。这不仅提高了IMPA同时读取的数目也增强了使用的灵活性。为了使IMPA的使用更简便，实验室团队还进行了芯片的集成化设计，简化了低温微波器件与所需的线路。在使用时，只需要输入直流偏置的微波驱动，读取信号就将被成倍放大，再将经过放大的信号交给后级线路中的经典放大器和室温电子学系统处理，我们就可以得到高保真的读取结果。
在诸多指标中，插入损耗指标通常被研究者所忽视，这是由于人们通常通过开关驱动来测量IMPA的增益，这样并不能够直接观测到插入损耗。如果材料选择或者设计不当，就会导致放大器的插损过大，此时输入信号即使经过可观增益的放大，其实际输出强度也可能并不令人满意。为了解决这一问题，实验室团队经过大量研究和创新设计，优化了插入损耗表现，可以稳定实现3-8dB范围内的插损。考虑带宽内15dB以上的增益，实际信号信噪比可以支持高保真度的比特读取。
图2 腾讯自研IMPA外观图
下表是该产品在10mK环境下典型参数：
图3 腾讯自研IMPA的典型增益谱
腾讯量子实验室是腾讯在量子计算领域的前瞻性布局，由香港中文大学量子计算科学家张胜誉教授在2018年领衔组建。作为腾讯前沿科技实验室矩阵成员，腾讯量子实验室旨在研究量子计算系统，量子计算与量子系统模拟的算法和基础理论，以及在相关领域和行业中的应用。实验室开发新的量子组合算法和量子AI算法，并分析在信息处理、新药研发和材料设计等方面进行应用。实验室在腾讯云上研发材料研究平台和药物发现平台，建立材料、制药、能源及化工等相关领域的生态系统。同时实验室也持续关注和研究全栈量子计算机系统中的相关问题。