量子计算中的射频反射测量技术

发布时间:

2026-03

前言

量子计算机需要可扩展性和高性能，虽然半导体量子是量子比特得有力候选者，但测量设置得复杂性给规模化带来了挑战。射频片上系统技术（SoC）有望成为一种有前景的解决方案。

本文重点介绍了使用片上射频系统技术的测量架构，在栅极定义的双层石墨烯量子器件中的射频反射测量。

（注：本文数据来源—东北大学电气通信研究所、三菱电机株式会社信息技术研发中心）

一、量子计算机

量子计算机已成为一项具有革命性潜力且有前景的技术。目前有多种物理系统用于实现量子比特，包括超导电路、囚禁离子等等。在这些方案中，半导体量子因其与现有的半导体制造工艺的潜在兼容性而备受关注——随着技术进步，量子态控制和读取率的进展，这使得扩展到扩展到超过少数几个量子点变得具有挑战性。拥有数百万量子比特的量子计算机的远景已被广泛讨论，随之而来的瓶颈便是测量系统的日益增减的复杂性。

最初为下一代通信系统开发的射频片上系统，已被用来解决这些问题。

二、量子计算机的可扩展性与性能

开发新的材料平台是提升量子计算机性能的方法之一。迄今为止，已对GaAs、Si、和ZnO等传统半导体用于量子器件进行研究，而双层石墨烯已成为一个有前景的候选者，不仅因其独特的电子性质，也因其在量子应用的潜力而受到关注。不仅是自旋自由度，基于谷自由度的量子态因其的驰援时间和潜在的相干性而备受瞩目。这些量子系统的的表征和控制需要先进的测量技术，其中射频发射测量已被确立为一种以宽带观察量子动力学的重要技术。

三、射频片上系统技术与半导体量子系统

将射频片上系统技术应用于半导体量子系统，并利用量子仪器控制工具包演示了栅极定义双层石墨烯量子器件中的射频反射测量。

图1展示了双层石墨烯器件的层状结构。作为源-漏级、侧栅级和指栅级的Ti/Au电极通过电子束蒸发制备。一层30纳米厚的氮化硅层通过化学气相沉积作为顶部绝缘体沉积。底部的石墨层充当背栅极，当与绝缘衬底结合时，这可以减少杂散电容并能在射频器件中设计射频信号。

射频测量设置的负责性是量子系统规模化的一个障碍。人们已经研究了实现大规模控制的各种方法，包括通过频率复用读取来减少控制线数量以及集成在量子器件上的片上控制电路。

射频片上系统技术提供了一种结合可扩展性与灵活性的方案。基于射频片上系统的平台可以使用开源软件提供的Python接口进行控制，通过数模转化器（DAC）、模数转化器和FPGA集成在一块板上，射频片上系统实现了具有可编程性和适应各种量子器件的射频信号处理能力。板载的FPGA提供了实时信号处理与反馈控制，这对量子测控来讲十分重要。下图显示了用于射频反射测量的设置。射频片上系统通过局域网电缆连接到主机计算机上。射频信号施加到由石墨烯器件、芯片电感器以及来自印刷电路板和电容器组成的谐振器上。从谐振器发射回来的信号被放大，然后由ADC接收——接收到的信号被数字化，并使用射频片上系统的内置本子振荡器解调为同相正交相分量。