為什么低溫微波功率測量對量子計算很重要？

低溫 （cryo） 微波 （μW） 功率測量對于推進量子計算至關重要。精密的量子器件需要在低溫下運行，以保持相干性和穩定性。還需要在低溫下進行精確的功率測量，以優化和調試量子硬件。

本文首先回顧了量子計算機中的冷凍區和相關的 μW 計量需求。然后，本文探討了如何使用 μw 校準單元 （MCU） 在最冷的低溫區進行功率測量，最后考慮了低溫輻射熱計的具體實施方式，用于進行熱量測量和表征 μw 運行。

許多量子處理器在毫開爾文 （mK） 范圍內的溫度下運行。這些計算機使用 μw 脈沖來聲明和作量子比特。量子計算系統具有從室溫到 mK 的溫度范圍。

量子處理器中使用的 μw 組件（包括放大器、濾波器和混頻器）的性能必須在其工作溫度下進行表征，并將測量結果與在室溫下運行的外部系統相關聯（圖 1）。關鍵測量包括散射 （S） 參數、功耗和噪聲。

圖 1.用于量子計算的 Cryo μW 功率計量（塊箱）結合了室溫下的 μW 計量（紅框）和低溫切片中的 μW 計量（藍框）。（圖片：劍橋大學）)

低溫 μw 功率測量是通過將輸入信號轉換為熱量來進行的，熱量可以由輻射熱計或過渡邊緣傳感器等專用傳感器檢測到。用于創建低溫環境的多級稀釋制冷機結構復雜，需要仔細的校準程序來考慮可能影響測量準確性的電纜損耗和其他熱效應。

使用已知的直流電流校準氣象系統，并測量溫升。校準系統后，傳感器可以吸收 μW 功率，導致溫度升高和相應的直流電，可以直接轉換為功率測量。

系統必須針對特定的 μW 頻率范圍進行優化，并且必須管理任何噪聲源，以將干擾降低到可接受的水平。測量 S 參數以全面表征通過 cryo 系統的 μw 信號傳輸，提供有關不同頻率下的反射和傳輸系數的數據。

Cryo S 參數 MCU

圖 2 顯示了一種用于表征 cryo 系統性能的結構。稀釋冰箱有六個階段，將溫度從室溫（約 300 K）降至 20 mK 以下。矢量網絡分析儀在室溫下位于系統頂部，MCU 位于<20 mK 部分，與被測設備 （DUT） 一起。

圖 2.Cryo μw S 參數測試架構。（圖片：IEEE Access)

互連器件必須支持高達幾 GHz 的 μW 頻率的高性能，并提供高熱衰減。到達最冷部分的熱光子數量必須遠低于單光子水平，以確?？煽康牧孔颖忍刈?。

Cryo μW 輻射熱計

已經制造了一種低溫 μW 輻射熱計來量化量子計算機組件的性能。該設計如圖 3 所示，具有三個元件：直流加熱器、熱吸收器和讀出電路。

圖 3.Cryo μW 輻射熱計，其中 （a） 是整體結構的偽彩色圖像，（b） 是電路圖，（c） 是探測器的偽彩色掃描電子顯微鏡圖像。（圖片：AIP Publishing)

總結

在優化和調試量子計算硬件時，在低溫下進行準確的 μW 功率測量非常重要。這些計算機中的量子比特使用 μw 脈沖進行控制。為了全面表征通過低溫系統的 μw 信號傳輸，必須對 S 參數進行表征，以提供有關 GHz 頻率下反射和傳輸系數的數據。