Google Quantum AI 团队正在构建具有超导微波电路的量子计算机，但与传统计算机非常相似，这些计算机核心的超导处理器只是其中的一部分。要使量子计算机正常工作，需要一整套外围硬件技术堆栈。在许多情况下，这些部件必须是定制设计的，需要进行大量研究和开发才能达到最高性能水平。
在这篇文章中，我们重点介绍了这种补充硬件的一个方面：我们的超导微波放大器。在《应用物理快报》上发表的“具有高动态范围约瑟夫森参数放大器的量子处理器的读出”中，我们描述了如何将超导微波放大器的最大输出功率提高 100 倍以上。我们讨论了这项工作如何为性能更佳的更大量子处理器芯片的运行铺平道路。
为什么使用微波放大器？
操作超导量子处理器的挑战之一是在不干扰其操作的情况下测量量子比特的状态。从根本上说，这归结为微波工程问题，我们需要能够测量量子比特谐振器内部的能量，而不会将其暴露在嘈杂或有损的线路中。这可以通过在系统中添加一个与量子比特耦合但远离量子比特谐振频率的额外微波谐振器来实现。谐振器充当滤波器，将量子比特与控制线隔离，但也从量子比特中拾取状态相关的频移。就像在二进制相移键控(BPSK) 编码技术中一样，量子比特的数字状态 (0 或 1) 被转换为从该辅助谐振器反射的探测音 (微波信号) 的相位。测量这个探测音的相位使我们能够推断量子比特的状态，而无需直接与量子比特本身交互。
虽然这听起来很简单，但量子位实际上对可用于探测音的功率 施加了严格的限制。在正常运行中，量子位应处于 0 状态或 1 状态或两者的某种叠加状态。测量脉冲应将量子位折叠为这两种状态之一，但使用过多的功率会将其推入更高的激发态并破坏计算。安全的测量功率通常约为 -125 dBm，这相当于在测量过程中只有少量微波光子与处理器相互作用。通常，使用微波放大器测量小信号，这会增加信号电平，但也会增加自己的噪声。多少噪音是可以接受的？如果测量过程耗时过长，量子位状态可能会因电路中的能量损失而发生变化。这意味着必须在短短几百纳秒内以非常高的 (>99%) 保真度测量这些非常小的信号。因此，我们不能在更长的时间内对信号进行平均以降低噪音。不幸的是，即使是最好的半导体低噪声放大器，其噪声仍然高出近 10 倍。
解决方案是基于与量子比特本身相同的电路元件设计我们自己的定制放大器。这些放大器通常由约瑟夫森结组成，以提供连接到超导谐振电路的可调电感。通过用这些元件构建谐振电路，您可以创建一个参数放大器，其中放大是通过以您想要放大的频率的两倍调制可调电感来实现的。此外，由于所有线路都是由无损超导体制成的，这些设备在添加噪声的量子极限附近运行，其中信号中唯一的噪声来自零点量子电压波动的放大。
这些设备的一个缺点是约瑟夫森结限制了我们可以测量的信号功率。如果信号太大，驱动电流可能会接近结临界电流并降低放大器性能。即使这个限制足以测量单个量子比特，我们的目标是通过使用同一个放大器同时测量多达六个量子比特来提高效率。一些团队通过制作行波放大器来绕过这个限制，其中信号分布在数千个结上。这增加了饱和功率，但是放大器的生产变得非常复杂并且占用了芯片上的大量空间。我们的目标是创建一个可以处理与行波放大器一样多功率的放大器，但采用我们习惯的同样简单紧凑的设计。
结果
每个约瑟夫森结的临界电流限制了我们放大器的功率处理能力。然而，增加这个临界电流也会改变电感，从而改变放大器的工作频率。为了避免这些限制，我们用一个由两个并联的RF-SQUID阵列组成的非线性可调电感器取代了标准的 2 结 DC SQUID ，我们称之为蛇形电感器。每个 RF-SQUID 由一个约瑟夫森结和几何电感 L1 和 L2 组成，每个阵列包含 20 个 RF-SQUID。在这种情况下，标准DC SQUID的每个结都被其中一个 RF-SQUID 阵列取代。虽然每个 RF-SQUID 的临界电流要高得多，但我们将它们连接在一起以保持电感和工作频率相同。虽然这在设备复杂性方面是一个相对温和的增加，但它使我们能够将每个放大器的功率处理能力提高大约 100 倍。它还与使用阻抗匹配电路提供大测量带宽 的现有设计完全兼容。
我们的超导微波放大器的电路图。分离偏置线圈允许对蛇形电感进行 DC 和 RF 调制，而分流电容器则设置频率范围。动画显示了电流的流动，其中偏置线上的施加电流（蓝色）导致蛇形电感中的环流（红色）。锥形阻抗变压器降低了设备的负载Q。由于 Q 定义为频率除以带宽，因此降低具有恒定频率的 Q 会增加放大器的带宽。用于实际设备的示例电路参数为 Cs=6.0 pF、L1=2.6 pH、L2=8.0 pH、Lb=30 pH、M=50 pH、Z 0 = 50欧姆和 Z final = 18 欧姆。设备操作通过从放大器输入反射的小信号（洋红色）来说明。当较大的泵浦音（蓝色）施加到偏置端口时，它会产生放大的信号（金色）和称为闲频的二次音（也是金色）。
非线性谐振器的显微镜图像显示谐振电路由大型平行板电容器、非线性蛇形电感器和用于调节电感的电流偏置变压器组成。
我们通过测量放大器的饱和功率（即增益压缩 1 dB 的点）来测量这种性能改进。我们还测量了该功率值与频率的关系，以了解它如何随放大器增益和与放大器带宽中心的距离而变化。由于放大器增益关于其中心频率对称，因此我们用绝对失谐来测量它，它只是放大器中心频率与探测音调频率之差的绝对值。
输入和输出饱和功率（1-dB 增益压缩点），使用超导量子处理器与放大器中心频率的绝对失谐进行校准。
结论和未来方向
新的微波放大器代表着我们的量子比特测量系统向前迈出了一大步。它们将使我们能够使用单个设备测量更多量子比特，并启用需要每个测量音调更高功率的技术。然而，我们仍然有很多领域想要探索。例如，我们目前正在研究蛇形电感器在具有先进阻抗匹配技术的放大器、定向放大器和微波循环器等非互易设备中的应用。
致谢
我们要感谢 Quantum AI 团队提供的基础设施和支持，使我们得以创建和测量微波放大器设备。感谢我们一批才华横溢的 Google 研究实习生，他们为上述未来工作做出了贡献：Andrea Iorio 开发了自动调整放大器并提供局部参数空间快照的算法，Ryan Kaufman 使用多极阻抗匹配网络测量了新型放大器，Randy Kwende 设计和测试了一系列基于蛇形电感的参数设备。在他们的贡献下，我们对放大器有了更好的了解，并设计了下一代参数驱动设备。
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