为什么低温微波功率测量对量子计算很重要？

低温 （cryo） 微波 （μW） 功率测量对于推进量子计算至关重要。精密的量子器件需要在低温下运行，以保持相干性和稳定性。还需要在低温下进行精确的功率测量，以优化和调试量子硬件。

本文首先回顾了量子计算机中的冷冻区和相关的 μW 计量需求。然后，本文探讨了如何使用 μw 校准单元 （MCU） 在最冷的低温区进行功率测量，最后考虑了低温辐射热计的具体实施方式，用于进行热量测量和表征 μw 运行。

许多量子处理器在毫开尔文 （mK） 范围内的温度下运行。这些计算机使用 μw 脉冲来声明和作量子比特。量子计算系统具有从室温到 mK 的温度范围。

量子处理器中使用的 μw 组件（包括放大器、滤波器和混频器）的性能必须在其工作温度下进行表征，并将测量结果与在室温下运行的外部系统相关联（图 1）。关键测量包括散射 （S） 参数、功耗和噪声。

图 1.用于量子计算的 Cryo μW 功率计量（块箱）结合了室温下的 μW 计量（红框）和低温切片中的 μW 计量（蓝框）。（图片：剑桥大学）)

低温 μw 功率测量是通过将输入信号转换为热量来进行的，热量可以由辐射热计或过渡边缘传感器等专用传感器检测到。用于创建低温环境的多级稀释制冷机结构复杂，需要仔细的校准程序来考虑可能影响测量准确性的电缆损耗和其他热效应。

使用已知的直流电流校准气象系统，并测量温升。校准系统后，传感器可以吸收 μW 功率，导致温度升高和相应的直流电，可以直接转换为功率测量。

系统必须针对特定的 μW 频率范围进行优化，并且必须管理任何噪声源，以将干扰降低到可接受的水平。测量 S 参数以全面表征通过 cryo 系统的 μw 信号传输，提供有关不同频率下的反射和传输系数的数据。

Cryo S 参数 MCU

图 2 显示了一种用于表征 cryo 系统性能的结构。稀释冰箱有六个阶段，将温度从室温（约 300 K）降至 20 mK 以下。矢量网络分析仪在室温下位于系统顶部，MCU 位于<20 mK 部分，与被测设备 （DUT） 一起。

图 2.Cryo μw S 参数测试架构。（图片：IEEE Access)

互连器件必须支持高达几 GHz 的 μW 频率的高性能，并提供高热衰减。到达最冷部分的热光子数量必须远低于单光子水平，以确保可靠的量子比特作。

Cryo μW 辐射热计

已经制造了一种低温 μW 辐射热计来量化量子计算机组件的性能。该设计如图 3 所示，具有三个元件：直流加热器、热吸收器和读出电路。

图 3.Cryo μW 辐射热计，其中 （a） 是整体结构的伪彩色图像，（b） 是电路图，（c） 是探测器的伪彩色扫描电子显微镜图像。（图片：AIP Publishing)

总结

在优化和调试量子计算硬件时，在低温下进行准确的 μW 功率测量非常重要。这些计算机中的量子比特使用 μw 脉冲进行控制。为了全面表征通过低温系统的 μw 信号传输，必须对 S 参数进行表征，以提供有关 GHz 频率下反射和传输系数的数据。