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量子微波工程：量子硬件工程师的关键技能

Alan Salari, Quaxys LLC, Vienna, Va.

量子信息科学与技术（QIST）包括量子计算、通信、传感和仿真。这些突破性技术将迅速重塑我们的世界。安全的量子通信、量子互联网和先进的量子传感器等即将成为我们日常生活中不可或缺的一部分。然而，量子计算面临着更大的挑战，需要更多的时间来实现其预期潜力。图1展示了一台超导量子计算机。

图1：超导量子计算机

QIST仍处于新兴阶段。随着该学科的不断发展，它将面临许多技术挑战，同时也需要一支高技能的人才队伍。这一挑战的重要部分在于培养一支多学科的人才队伍，将出色的分析技能与工程和科学方面的专业知识结合起来。

Hughes等人在《量子产业需求评估》¹一书中强调了量子产业对专业技术人才的迫切需求。传统的量子工程培训往往是一个漫长的过程，这带来了挑战。然而，通过优先考虑对量子研发至关重要的基本现实技能，可以加快培训进程。此外，还有一个重要的机会来提高现有专业人员（包括硬件和软件工程师）的技能，以满足量子信息和技术领域日益增长的需求。要加快这一转变，拥有促进快速培训的资源至关重要。认识到这一需求，像Quaxys这样的公司正在专门为专业微波和量子硬件培训提供面向实践的课程。这些努力还催生了一些书籍，如《超导量子计算机中的微波技术》²，旨在向参与半导体量子平台开发的量子硬件工程师传授基本技能，涵盖超导、自旋和拓扑量子比特等主题。

量子计算平台分为两类：原子和离子量子比特等自然系统，以及超导、自旋和拓扑量子比特等人工系统。每类平台都需要特定的技能，有些是平台独有的，有些则是共享的。以下章节将探讨四个主要技能组合：微波工程、低温工程、纳米制造和数据采集与测量，这对于量子硬件工程师和从事半导体量子比特研究的公司来说至关重要，有助于他们在这一领域取得成功。

微波工程

量子技术领域，尤其是半导体量子比特，为微波和嵌入式硬件工程专业的硬件工程师带来了无限可能。作为一个起点，探索一些基本原理是很有意义的。其中包括量子比特的定义以及利用微波频率实现超导量子比特的原理。

量子比特是量子计算中的基本信息单位，代表一个两级量子系统。信息编码通过基态（用"0"表示）和激发态（用"1"表示）进行。

下面，我们将从概念上描述如何将超导量子比特作为非线性LC电路来仿真原子的行为。图2a展示了原子从高能级弛豫到低能级的过程。如图所示，这种转变的特征是发射与能级差对应的一定频率的光子。在氢原子等具有两个以上能级的原子中，电子从高能轨道跃迁到低能轨道会产生一系列光谱发射线。这些称为氢原子的巴尔默系列转变，如图2b所示。n值为整数，对应于过渡所涉及的主量子数。如图所示，每个转变都有一个独特的频率。使用超导电路可以仿真这种原子行为。如图2c所示，超导LC电路是一个具有等距能级的量子谐振器。因此，能级之间没有唯一的转换频率，因此不可能只分离和处理两个能级来构建量子比特。如图2d所示，通过使用约瑟夫森结为LC电路增加非线性，我们可以建立一个具有非等距能级的非谐波量子振荡器。这将导致能级之间产生独特的过渡能量，类似于真实原子。这种非线性超导电路提供了一个具有独特过渡频率的两级系统，从而能够构建一个量子比特。

图2：（a）电子弛豫到低能轨道时的光子发射。（b）氢原子的巴尔默系列转变。（c）等距能级的量子谐振子。（d）非谐波量子振荡器。

考虑这样一种情况：基态和激发态之间的能量差很低，使量子比特环境中的热能导致量子比特从基态过渡到第一激发态。这种不受控制的热转换是不可取的，因为我们需要对量子比特的状态进行精确的外部控制。

出于各种原因，半导体量子比特被置于稀释冰箱中。其中最重要的原因是需要减轻热能引起的失控激励。热能可按公式1计算：

其中：k_B=玻耳兹曼常数；T=温度

通过粗略计算，我们可以了解不需要的热能可能产生的影响。公式1中计算出的热能会有一个相关频率。可以利用E=hf的普朗克-爱因斯坦关系式来确定稀释冰箱中与热能相关的频率（f_th）。如公式2所示：

其中：h=普朗克常数

典型的稀释冰箱可以达到20mK的温度，对应的频率为f_th=0.4GHz。为了尽量减少量子比特从基态到激发态的热激发，量子比特的转变能（E₀₁）必须远远高于热能，即E₀₁>>E_th。"远远高于"意味着至少高出10倍，从而导致转变频率f₀₁=10f_th=4GHz。

大多数超导电荷量子比特（如晶体管）都在2-10GHz的微波频率范围内工作。微波频率特别具有吸引力，因为它们足够高，可以利用标准低温和电信行业常用的成熟微波技术和元件。虽然更高的频率可能会带来某些优势，但也会在元件成本、设计复杂性和制造能力方面带来挑战。因此，要有效地设计和运行超导量子比特硬件，就必须对微波系统和组件有扎实的了解。

微波工程涉及微波信号的产生、传输、处理和检测如图3所示。根据不同的应用，可能会涉及图3中描述的四个功能中的一个或多个。在某些应用中，例如微波加热，可能不需要检测。另一方面，在射电天文学等领域，检测是必不可少的。然而，在通信链路或超导量子计算机等应用中，所有四个领域都发挥着至关重要的作用。

图3：与微波工程有关的技术领域。

微波链路

微波链路包含四个主要功能：信号生成、传输、处理和检测。微波链路可以是两部手机之间的通信链路，也可以用于在超导量子计算机内传输信息。我们的目标是在设计微波链路时确保成功检测信号，无论是手机传输的信息还是量子比特的状态。本节将研究超导量子计算机中的微波链路，如图4所示，每个功能方框显示了微波链路所涉及的组件。

图4：超导量子计算机的微波链路

微波信号用于控制和读出超导量子比特的状态。如图4所示，微波信号在室温下产生，通过微波同轴电缆传输到稀释冰箱。一路上，滤波器和衰减器对信号进行处理，以减少噪音。信号与量子比特相互作用后，使用低温放大器进行处理，然后使用特殊的微波电缆送回室温环境。信号经过放大、滤波和降频等最后室温处理步骤，为检测做好准备。最后，数字转换器将模拟信号转换成计算机可以处理的数字信号。

信号在微波链路中传播时，会受到电缆、放大器、滤波器和其他各种无源和有源元件的影响，从而放大或衰减信号。为确保接收端成功检测到信号，需要进行全面的链路预算分析，计算微波链路内的所有增益和损耗，确保有足够的功率和足够的信噪比，以便准确探测量子态。

微波系统

本节探讨微波信号在通过链路时如何受到噪声、干扰、失真和非线性效应的影响。为确保成功检测信号，理解和分析这些效应对微波信号的影响至关重要。要有效地分析和设计微波系统，就必须从系统层面了解关键性能因素以及会降低性能的影响因素。用于微波系统的分析工具功能强大，可将微波系统及其组件视为一个黑盒子。这样，设计人员就可以检查系统的输入和输出，而无需深厚的电磁学或微波工程知识。

如上一节所述，设计和评估微波链路的第一步是计算链路预算。随后，需要研究失真、干扰和噪声对微波系统的影响，因为这些都是影响系统性能的关键因素。此外，还需要研究微波系统的非线性效应。其中一些效应包括1dB压缩点、谐波电平和互调失真，这对于设计和优化系统性能和效率至关重要。

微波元件

下一步是了解低温和室温微波元件。这些元件包括但不限于放大器、混频器、滤波器、功率合路器、衰减器、升频器和降频器。这些知识可分为三个主要方面：

•        噪声工程需要详细了解通向量子比特的所有耦合路径，以及如何使用滤波器、衰减器、特殊微波电缆和环行器等元件阻断这些路径。

•        微波信号处理技术包括滤波、放大、降频和升频。这些技术在量子比特运行中起着至关重要的作用。它们涉及向量子比特传输调制脉冲，然后对读出信号进行降频，以便进行数字后处理。

•        微波测量技术使用网络和频谱分析仪、信号发生器和高频示波器等仪器。这些仪器用于执行元件级、系统级和量子比特测量。

单量子比特和双量子比特操作是实现量子算法的支柱。图5a描述了单量子比特超导系统，其中量子比特与共面波导谐振器耦合。图5b显示了与共面波导谐振器耦合的双量子比特系统。控制和读出量子比特需要微波元件和技术。

图5：（a）耦合到共面波导谐振器上的单量子比特。（b）耦合到共面波导谐振器上的双量子比特。

低温工程

如前所述，半导体量子比特实验通常在绝对零度附近的稀释冰箱中进行，温度范围在10mK到50mK之间。极低温在减少干扰因素（如噪声）方面起着至关重要的作用，噪声可能导致量子比特的微妙量子态坍缩。典型的量子处理单元如图6所示。

图6：稀释冰箱。

稀释冰箱的关键作用在于保护量子比特不与环境发生耦合。噪声会通过传导和辐射途径影响量子比特，如图7所示。有了这种认识，就可以应用滤波和屏蔽等技术来阻断这些途径，保护量子比特不发生退化相干。为此，需要结合使用滤波器、环行器、衰减器、屏蔽和各种类型的电缆（如有损微波电缆），以最大限度地降低耦合到量子比特的噪声水平。在进行量子比特实验之前，全面了解稀释冰箱及其组件以及噪声途径至关重要。

图7：与量子比特的噪声耦合路径

纳米制造

纳米制造技术是开发半导体量子比特所用纳米电路的关键，而电子束光刻机是这一过程中的常用工具。熟悉电子束光刻机等关键工艺和工具，以及溅射和热蒸发等金属沉积技术，对工程师大有裨益。在学术环境中，一个人可能会处理量子比特制造和运行的所有方面，但在工业环境中，专门的团队会专注于这一领域。工业领域的量子硬件工程师可能不需要丰富的纳米制造知识，因为他们的要求将基于公司内部的特定角色。为了说明超导量子计算机使用的典型纳米制造技术，图8a显示了一个约瑟夫森结，它由两个超导电极组成，中间隔着极薄的绝缘层。库珀对可以相干隧穿绝缘层。图中还显示了约瑟夫森结的等效电路。图8b显示了使用铝电极和铝/氧化铝/氧化铝层实现约瑟夫森结的情况。图8c显示了两个平行的约瑟夫森结形成的超导量子干涉装置（SQUID）。约瑟夫森能量或总电感可通过外部磁通量进行控制。最后，图8d显示了约瑟夫森结SQUID的实现情况，其充电能量为E_J1和E_C1。C_g是控制电荷的栅极电容。约瑟夫森结和SQUID是超导量子计算机的重要组成部分，因此掌握这些纳米制造技术非常重要。

图8：（a）约瑟夫森结。（b）约瑟夫森结的实现。（c）并行约瑟夫森结形成SQUID。（d）SQUID的实现。

数据采集和量子测量

在制造出量子比特并将其置于稀释冰箱中，以及解决所有微波工程问题之后，量子系统就可以投入运行了。量子处理器的运行涉及量子比特的精确控制和读出，以成功实现单量子比特和双量子比特门（gate），这是实现量子算法的基础。这一阶段的工作要求对量子力学和量子测量有透彻的了解，并具备仪器自动化和数据采集方面的专业知识。

这些过程与控制软件相协调，控制软件与各种仪器和微波子系统相连接，为量子比特控制和读出产生必要的微波脉冲。量子工程师需要善于利用各种通信协议，如串行通信、GPIB、局域网和USB。确保高效数据采集的常用软件包括Matlab、Python和Labber。量子硬件工程师应至少精通其中一种软件工具，以确保无缝完成数据采集任务。此外，编码技能也是非常宝贵的，特别是对于那些希望在这些软件环境中开发定制测量代码的人来说。

结论

本文讨论了半导体量子硬件开发中最重要的四项技能。重要的是要认识到，下一代量子工程师并不需要成为所有四个领域的专家。个人将专注于特定领域以获得专业知识，公司可能会选择在更大的量子市场中专注于不同的细分市场。

下一代量子工程师将在推动革命性技术方面发挥关键作用，他们的成功取决于有效的技能培训。量子硬件工程师需要熟练掌握微波工程、低温技术、纳米制造、数据采集和量子测量等不同领域的技能，才能成功地为量子处理器的开发做出贡献。要缩小人才差距，就必须从战略上重视精心设计的课程和实际应用的实践培训。利用书籍和在线课程等资源可以大大加快量子工程师的学习进程。

参考文献

1. C. Hughes, D. Finke, D. -A. German, C. Merzbacher, P. M. Vora and H. J. Lewandowski, “Assessing the Needs of the Quantum Industry,” IEEE Transactions on Education, doi: 10.1109/TE.2022.3153841.
2. A. Salari, “Microwave Techniques in Superconducting Quantum Computers,” Artech House, 2024.