微波元件解說
前一節針對量子電腦稀釋制冷機內部的部件做一個簡單的綜覽，接下來我們針對微波元件，詳細解說各部件的功能。
關鍵組件與技術
微波元件作為橋接外部儀器控制訊號送往QPU，同時也要負擔將運算後的訊號經過放大橫送回到儀器中，會包含以下元件：
- 諧振器 (Resonators)： 每個超導量子位元通常耦合到一個微波諧振器。量子位元的狀態會影響諧振器的共振頻率或相位，透過探測諧振器的響應可以推斷出量子位元的狀態。
- 量子放大器 (Quantum Amplifiers)： 來自諧振器的讀出訊號非常微弱，需要接近量子極限的低雜訊放大器進行放大，才能被後續的古典電子設備檢測到。
- 約瑟夫森參量放大器 (Josephson Parametric Amplifiers, JPAs)： 利用約瑟夫森結的非線性特性實現微波訊號的低雜訊放大。JPAs可以工作在相位敏感模式（放大單個正交分量而不增加雜訊）或相位保持模式。它們通常具有較窄的帶寬，但可以實現高增益。
- 行波參量放大器 (Traveling Wave Parametric Amplifiers, TWPAs)： 例如QuantWare的Crescendo-S，是一種基於約瑟夫森結鏈的行波放大器，能夠在較寬的頻寬內提供高增益和接近量子極限的雜訊性能，非常適合多路復用讀出。與JPA不同，TWPA是透射式而非諧振式器件，因此帶寬不受諧振器限制。
- 低雜訊半導體放大器 (Low-Noise Amplifier, LNA)： 通常放置在低溫系統的較高溫級（如4K級），用於進一步放大來自量子放大器的訊號。
- HEMT (High Electron Mobility Transistor, 高電子遷移率電晶體)： 由於其獨特的物理結構（利用二維電子氣），HEMT 內的電子能夠高速移動且碰撞機率低。這個「高電子遷移率」的特性，直接轉換為極低的雜訊和優異的高頻性能。
- 混頻器、濾波器和ADC： 用於將放大的微波訊號下變頻到中頻，濾除雜訊，然後由ADC轉換為數位訊號進行處理。
接下來我們將搭配電路圖，詳細解說各部件的功能。
▲透過電路功能圖對照硬體，可進一步了解量子電腦中硬體元件的配置。
(a) 安裝有 25 條驅動線（drive lines）、25 條磁通線（flux lines）、4 條讀出線（read-out）、6 條讀入線（read-in），以及 5 條泵浦線（pump lines）的 Bluefors XLD 型稀釋制冷機。
(b) 稀釋制冷機內部電纜配置的示意圖。我們藉由下方表格來解說各個元件及端口的功能：
| I/O端 | 中文翻譯 | 功能解說 | ||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Drive | 驅動端 | 用於輸入控制脈衝，操控量子位元的狀態（如進行 X/Y 閘操作），通常是微波頻率訊號。 | ||||||||||||
| Flux | 磁通端 | 提供直流或低頻訊號改變 SQUID 迴路的有效磁通量，進而調變量子位元或諧震器的頻率。 | ||||||||||||
| Pump | 泵浦端 | 用於激發參數放大器（如 JPA 或 TWPA）所需的能量輸入，通常在特定頻率提供高功率微波。 | ||||||||||||
| Output | 讀出端 | 從量子系統中讀出訊號，經由讀出共振腔與放大器鏈路輸出至室溫設備進行量測。 | ||||||||||||
| 稀釋製冷機 (Dilution Refrigerator) 區段 | ||||||||||||||
| 4K Plate | 4K板 | 溫度約4K。 此區連接第一級冷卻，安裝 HEMT 放大器、熱沉濾波器等元件。 |
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| Still Plate | Still板（靜置板） | 溫度約800 mK。稀釋冷卻循環中的「Still」位置，進一步降低熱量傳導，可安裝低頻濾波器或電源線熱沉。 | ||||||||||||
| Cold Plate | 冷板 | 溫度約100 mK。 進入量子操作區前的緩衝層，常安裝循環器、熱沉的中介點。 |
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| MXC Plate (Mixing Chamber) |
MXC板 (混合腔板) | 溫度約10–20 mK。 最冷的一層，安裝量子位元晶片、TWPA、隔離器等關鍵元件，是核心操作與熱沉層。 |
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| 通用微波元件 | ||||||||||||||
| Isolator | 隔離器 | 允許訊號單向通過，防止反射雜訊干擾敏感元件，如量子位元。 | ||||||||||||
| TWPA | 行波參數放大器 | 低溫下使用的量子放大器，具有低雜訊、寬頻帶的特性，可提升微波訊號強度。 | ||||||||||||
| HEMT | 高電子遷移率電晶體 | 常用於 4K 級的第一級放大器，提供低雜訊、高增益的訊號讀取。 | ||||||||||||
| Low-pass filter | 低通濾波器 | 阻擋高頻雜訊，允許低頻訊號通過，常用於防止熱輻射進入量子元件。 | ||||||||||||
| Band-pass filter | 帶通濾波器 | 僅允許某一頻率範圍內的訊號通過，用於選擇特定微波頻率。 | ||||||||||||
| Eccosorb filter | Eccosorb 濾波器 | 使用 Eccosorb 吸波材料製成的濾波器，能有效吸收高頻熱雜訊與不必要的輻射。 | ||||||||||||
| Circulator | 循環器 | 三端口非互易(non-reciprocity)微波元件，訊號僅以順時針或逆時針方式循環，用來分離輸入與回波路徑。 | ||||||||||||
| Dir. Coupler | 定向耦合器 | 將一部分微波訊號從主通道引導至旁路，通常用於監測、量測或訊號分離。 | ||||||||||||
| Termination | 終端 (50Ω) | 吸收多餘訊號能量，防止訊號反射，常與隔離器、循環器搭配使用。 | ||||||||||||
| Thermalisation | 熱沉（熱化、熱錨定） | 將電纜或元件的外導體熱接至冷卻級，降低熱雜訊傳遞至低溫核心元件。 | ||||||||||||
| NbTi Cable | 鈮鈦合金同軸電纜 | 使用具有超導性質的鈮鈦合金，在 mK 級連接量子位元或諧振器時，使用鈮鈦超導線路可減少耗散與熱傳導。 | ||||||||||||
| Attenuator 10dB, 20dB... |
衰減器 |
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Ref: Engineering cryogenic setups for 100-qubit scale superconducting circuit systems, DOI:10.1140/epjqt/s40507-019-0072-0
▲在制冷機最底端、也是最冷的部分，稱為混合室（Mixing Chamber，MXC）。此區的溫度維持在10mK以下，以操作超導量子電路。
(a) 安裝於 MXC 板上的元件：來自量子處理器的讀出訊號首先經過右側的第一組四通道磁屏蔽隔離器陣列，再通過定向耦合器、行波參數放大器（TWPA），以及左側的第二組相同的隔離器陣列。
(b) 安裝於 4K 板上的四顆 HEMT 放大器。
(c)下方為帶通濾波器安裝（搭配熱沉）於 MXC 板上，上方為安裝於冷板(100mK區段)上的四個循環器。
Ref: Engineering cryogenic setups for 100-qubit scale superconducting circuit systems, DOI:10.1140/epjqt/s40507-019-0072-0
技術門檻
| 關鍵挑戰 (Key Challenge) | 說明 (Description) |
|---|---|
| 讀出速度 (Speed) | 讀出速度必須夠快，以支援需要即時條件反饋的量子演算法（如量子糾錯），並最大化單位時間內可執行的邏輯閘數量。 |
| 多路復用 (Multiplexing) | 開發高效的多路復用技術，利用單一讀出鏈路就能同時、獨立地測量大量量子位元的狀態，這是系統擴展的基礎。 |
| 量子極限放大 (Quantum-Limited Amplification) | 放大鏈路中的第一級放大器必須是量子極限的 (Quantum-Limited)，即其增加的雜訊量達到海森堡不確定性原理所規定的物理下限，以保護微弱的量子訊號。 |
| 串擾 (Crosstalk) | 將測量串擾降至最低。讀出目標量子位元的微波脈衝不應意外地影響或改變鄰近量子位元的頻率或狀態。 |
| 測量產生的反作用(Backaction) | 處理測量的反作用。標準的投影式測量會摧毀量子疊加態，因此需發展量子非破壞性 (Quantum Non-Demolition, QND) 測量技術，以在不破壞特定量子態的情況下獲取資訊。 |
| 可擴展性與集成性 (Scalability & Integration) | 讀出架構的設計必須能夠隨著量子處理器 (QPU) 的規模擴展，並與複雜的低溫佈線和封裝緊密、高效地集成。 |
| 系統性誤差 (Systematic Errors) | 隨著量子位元數量增加，測量系統中的微小誤差（如訊號失真、時序抖動）會累積並放大，成為限制整體計算保真度的瓶頸。 |
讀出系統的發展與QPU和控制系統的發展緊密相連。實現高保真度、快速且可擴展的讀出是實用量子計算的關鍵。TWPA等寬帶量子放大器的出現，為解決大規模量子位元系統的多路復用讀出問題提供了有希望的途徑。
王培儒