一项新技术将评估量子计算机中的射频元件

光子盒研究院

该技术在实现大规模量子计算机中的作用概念图
量子计算机的开发正在全球范围内进行，人们的注意力主要集中在增加执行运算的量子比特数量上。另一方面，从量子计算机的整个系统来看，控制它们的射频元件的数量与量子比特的数量成正比增加。
这些组件在低温量子芯片和室温电子设备之间传输射频信号。然而，目前使用的大多数高频元件都不能保证在实际使用的低温环境中正常工作。
此外，要实现实际应用所需的百万量子比特级量子计算机，就必须缩小大量高频元件的尺寸并抑制发热。
为了避免低温电路中的发热问题，并实现量子比特数量的大幅增加，就需要开发前所未有的高性能低温射频元件。而此时，要实现整个系统的预期性能，必须有一种方法来评估每个射频元件在工作温度下的反射和传输特性（S参数）。
然而，传统的低温反射和传输特性评估方法在测量温度和元件连接方法方面受到限制，不足以作为构建量子计算机供应链所需的通用评估方法。
一旦确定了评估方法，随着更多新公司进入市场，低温应用射频元件市场有望扩大。此外，对射频元件的低温特性进行定量区分有望创造新的附加值并振兴市场。
日本产业技术综合研究所（AIST）的研究人员开发了一种技术，用于评估射频（RF）元件在4K至300K（-269°C至27°C）任意温度下的反射和传输特性（S参数）。他们的研究成果发表在《电气和电子工程师学会仪器与测量期刊》（IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement）上。

量子计算机系统包含许多射频元件，用于在低温量子芯片和室温电子设备之间传输模拟信号。然而，它们中的大多数在低温环境下都无法保证特性。在由许多元件组成的电路中，即使是单个射频元件出现意外故障，也会阻碍量子计算机的大规模集成。
因此，有必要建立射频元件的低温评估方法。该方法改进了现有的反射和传输特性测量方法，可在 4K至300K的任意温度下对射频元件进行评估。这一技术获得的与温度相关的信息对于高性能射频元件的开发过程至关重要，并将促进量子相关技术的发展。

(a)测量系统示意图。(b)样品空间照片，蓝色框内的示意图代表微波开关放置的自由度。(c) 双端口S参数测量的实验示意图。

在多个温度下对齐平插入式进行S参数测量和时域分析的结果。(a) 在两个端口测量到的反射系数振幅。(b) 测量到的传输系数的振幅和相位分量。(c) 透射系数的时域响应。(d) 根据 (c) 估计的延迟时间与温度的函数关系。

(a) 台式测量的实验示意图。(b)-(d) 分别测量短路、开路和负载元件反射系数的振幅和相位分量。
后续来看，该技术将部署在量子和人工智能融合技术业务开发全球研究中心的量子硬件测试平台上，该中心也将开始为业界提供测量服务。
参考链接：[1]https://techxplore.com/news/2023-11-technique-radio-frequency-components-quantum.html[2]https://ieeexplore.ieee.org/document/10251589


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