輔助系統與零部件

  • 解說

    • IV. 輔助系統與零部件

    除了核心的量子處理器、低溫系統和控制電子設備外,一個完整的超導量子計算機還需要一系列輔助系統來確保其正常運行、保護其免受環境干擾,並進行必要的測量和數據處理。

    A. 真空系統(Vacuum Systems)

    • 需求: 超導量子計算機的低溫部分(稀釋製冷機內部)必須維持在超高真空(Ultra-High Vacuum, UHV)環境下。主要目的是為了熱隔離,防止殘餘氣體分子通過傳導和對流將熱量從較暖的部件傳遞到極冷的量子晶片區域。同時,UHV 環境也能最大限度地減少氣體分子與量子位元發生碰撞的可能性,這種碰撞會導致量子態的去相干。典型的壓力要求在 10-10至10-11 Torr(約10-8至10-9 Pa)或更低80。
    • 關鍵部件: 實現和維持 UHV 需要一套複雜的真空系統,主要包括:
      • 真空腔體(Vacuum Chamber): 通常是稀釋製冷機的外殼(Outer Vacuum Chamber, OVC)以及內部的真空空間。需要使用低釋氣率(Low Outgassing Rate)的材料製造,如不銹鋼,並經過適當的清潔和烘烤處理80。
      • 真空幫浦(Vacuum Pumps): 需要組合使用不同類型的真空幫浦來覆蓋從大氣壓到 UHV 的寬廣壓力範圍。
        • 初級幫浦/前級幫浦(Fore Pumps / Backing Pumps): 用於將系統從大氣壓抽到中真空範圍(約10-3 Torr),並作為高真空幫浦(如渦輪分子幫浦)的前級。常見的有:
          • 油封旋片幫浦(Oil-sealed Rotary Vane Pumps): 傳統的機械幫浦,成本較低,但可能引入油蒸氣污染。代表型號有Leybold 的TRIVAC B/T, SOGEVAC, NEO D系列11,Edwards 的E2M 系列83。
          • 乾式幫浦(Dry Pumps): 無油設計,避免了油污染,更適用於潔淨環境。包括渦卷幫浦(Scroll Pumps,如Edwards nXDS83, Agilent SH11083)、隔膜幫浦(Diaphragm Pumps,如Leybold DIVAC11)、多級羅茨幫浦(Multi-stage Roots Pumps,如Leybold ECODRY plus11)等。
        • 高/超高真空幫浦(High/ Ultra-High Vacuum Pumps): 用於將壓力從中真空進一步降低到高真空(HV)或超高真空(UHV)範圍。
          • 渦輪分子幫浦 (Turbomolecular Pumps, TMP): 利用高速旋轉的葉片將氣體分子向下傳輸,需要前級幫浦支持。適用於HV 和部分 UHV 應用11。
          • 離子幫浦(Ion Pumps / Sputter Ion Pumps, SIP): 利用電場和磁場將氣體分子電離,並將離子吸附或埋藏在鈦陰極表面,無需前級幫浦即可獨立工作在 UHV範圍,無振動。代表產品如 Gamma Vacuum 的 TiTan 系列11。
          • 非蒸散型吸氣幫浦 (Non-Evaporable Getter, NEG Pumps): 利用特殊合金(如 Zr-V-Fe)在激活後對活性氣體(尤其是H2)的高效化學吸附作用來抽氣。它們具有極高的抽速、無振動、無磁場(或極低磁場)、潔淨、緊湊輕便等優點,非常適合對環境要求苛刻的量子實驗80。代表產品如 SAES Getters 的NEXTorr 和 CapaciTorr 系列80。NEG 泵通常需要與離子泵(用於抽取惰性氣體)或渦輪分子泵組合使用。
          • 鈦昇華幫浦 (Titanium Sublimation Pumps, TSP): 通過加熱鈦絲使其昇華,沉積在冷表面上的鈦膜可以吸附活性氣體,通常作為輔助泵與離子泵聯用以提高抽速11。
          • 低溫幫浦(Cryopumps): 利用極低溫表面(通常由閉循環製冷機冷卻)來冷凝或吸附氣體分子,對水蒸氣等具有極高抽速11。
      • 真空計(Vacuum Gauges): 用於測量不同壓力範圍的真空度,如皮拉尼計(Pirani gauge)、冷陰極計 (Cold Cathode gauge)、熱陰極電離計(Hot Cathode Ionization gauge)等。
      • 真空閥門和法蘭 (Vacuum Valves and Flanges): 用於連接真空部件、隔離腔室以及引入樣品或儀器。需要使用高質量的UHV 兼容閥門(如VAT38) 和法蘭(如CF法蘭)。
    • 供應商: 真空技術是一個成熟的產業,主要供應商包括 Leybold11, Edwards Vacuum30, Pfeiffer Vacuum38, SAES Getters (專注於NEG泵)80, Gamma Vacuum (專注於離子泵)11, Busch Vacuum Solutions85, Agilent (原 Varian)83, Welch83 以及閥門供應商 VAT38等。

    B.磁屏蔽與輻射屏蔽(Magnetic and Radiation Shielding)

    • 需求: 量子位元對環境中的磁場波動和電磁輻射極為敏感12。地磁場、實驗室內其他設備產生的磁場、甚至建築結構中的鋼筋都可能產生干擾磁場。此外,來自高溫部件的熱輻射(紅外光子)或更高能量的環境輻射(如宇宙射線產生的次級粒子)也可能激發量子位元或產生準粒子,導致去相干15。因此,必須採取有效的屏蔽措施。
    • 磁屏蔽技術: 目標是將量子晶片區域的環境磁場降低到極低水平(通常遠低於地磁場強度,可能在 nT 或pT量級)並保持穩定。常用技術包括:
      • 被動屏蔽 (Passive Shielding):
        • 高磁導率材料屏蔽: 利用具有高磁導率(High Permeability)的軟磁材料,如Mu-metal (坡莫合金的一種)或其他鎳鐵合金(如Cryoperm)或非晶態合金(如 Metglas),將外部磁力線引導到屏蔽層內,從而使屏蔽層內部的磁場減弱87。這種屏蔽層通常做成圓柱形或箱形,包圍在需要保護的區域外部。需要注意的是,標準 Mu-metal 的磁導率在低溫下會顯著下降,因此在低溫區需要使用特殊配方的低溫磁屏蔽材料88。
        • 超導屏蔽: 利用超導體的邁斯納效應(Meissner effect),即超導體在轉變為超導態時會將內部磁場完全排出(適用於Type-I 超導體或 Type-II 超導體在低於下臨界場 Hc1時)90。或者利用超導體的零電阻特性,如果在零磁場環境下將超導屏蔽層冷卻到臨界溫度以下(零場冷卻, Zero-Field Cooling, ZFC),則屏蔽層內部將維持零磁場狀態,即使外部施加磁場,屏蔽層也會感應出表面電流來抵消外部磁場的穿透91。常用的超導屏蔽材料包括鉛(Pb)和鈮(Nb)88。超導屏蔽可以提供非常好的屏蔽效果,尤其對低頻磁場。
      • 主動屏蔽(Active Shielding): 通過在屏蔽區域外部或內部佈置線圈,並根據傳感器測量的外部磁場變化,實時地在線圈中通入電流,產生一個反向的補償磁場,從而動態地抵消外部磁場的干擾93。這種方法可以與被動屏蔽結合使用。
      • 多層結構: 為了達到極高的屏蔽因子(Shielding Factor),通常採用多層屏蔽結構。例如,可以在外部使用一層或多層高磁導率材料屏蔽,內部再加一層超導屏蔽88。層與層之間留有一定間隙可以提高屏蔽效率88。
    • 輻射屏蔽:
      • 熱輻射屏蔽: 稀釋製冷機內部本身就包含多層嵌套的冷屏(Cold Shields),通常分別錨定在50K、4K和 Still (~0.7K)等溫度級,這些冷屏的主要作用就是阻擋來自較高溫級的熱輻射到達更冷的區域12。
      • 微波/紅外輻射屏蔽: 對於沿信號線傳播的高頻熱雜訊光子,需要在線纜中集成紅外濾波器(Infrared Filters)10。這些濾波器通常利用金屬粉末或其他吸收材料來耗散高頻能量。此外,良好的微波元件封裝和接地也能起到屏蔽作用45。
      • 高能粒子屏蔽: 對於來自環境的宇宙射線或放射性元素產生的α、β、γ射線,如果需要極高的穩定性(例如用於量子計量或某些基礎物理實驗),可能需要在整個實驗裝置外部增加額外的屏蔽層,如鉛板86。
    • 供應商/集成商: 磁屏蔽材料和成品屏蔽罩的供應商包括Amuneal Manufacturing Corp. (與 Bluefors 合作提供低溫磁屏蔽選項)87 和 Magnetic Shields Limited (MSL,開發了用於低溫的主動線圈屏蔽技術)93。系統集成商如 Bluefors87 和 Quantum Machines (其 QCage 樣品架提供磁屏蔽選項)65也會提供集成好的屏蔽解決方案。對於大型量子計算機系統,屏蔽設計通常是系統集成商(如IBM、Google等)自行設計或與專業公司合作完成的。

    C. 量測儀器(Measurement Instrumentation)

    除了用於控制和讀取的專用電子設備外,量子計算實驗還需要一系列標準和特製的測量儀器來進行系統表徵、校準和監控。

    • 向量網路分析儀 (Vector Network Analyzers, VNAs): 這是表徵微波元件和電路(包括量子位元和讀出諧振腔)響應的關鍵儀器。VNA 可以測量樣品在很寬頻率範圍內的S參數(散射參數),包括反射係數(S11, S22)和傳輸係數(S21, S12),從中可以提取出諧振頻率、品質因數(Q值)、耦合強度、損耗等重要信息46。由於量子元件的工作環境在低溫,理想情況下 VNA 測量也應在低溫下進行,或者至少需要通過精確的低溫校準程序(使用低溫校準件)來去除連接線纜和低溫環境對測量結果的影響46。NIST 等機構正在開發專用的低溫 VNA 和校準技術58。
    • 信號產生器 (Signal Generators): 提供穩定、純淨的RF和微波信號源,用於測試元件響應或作為控制系統中本地振盪器(LO)的參考73。
    • 頻譜分析儀(Spectrum Analyzers): 用於測量信號的頻譜分佈,可用於分析信號純度、雜訊水平或檢測雜散信號73。
    • 功率計(Power Meters): 精確測量微波功率水平對於校準控制脈衝的幅度、確定衰減器的值以及評估系統中的熱負載非常重要46。由於量子位元操作涉及的功率非常低(可能在fW或pW量級),需要特殊的低溫功率傳感器,如測輻射熱計(Bolometer)或轉變邊緣傳感器(Transition Edge Sensor, TES),才能在mK環境下進行準確測量46。
    • 示波器(Oscilloscopes): 用於觀察信號的時域波形,檢查脈衝形狀、定時關係等。
    • 低溫溫度計/感測器(Cryogenic Thermometers/Sensors): 監測稀釋製冷機各個冷級以及樣品實際溫度是必不可少的。常用的有電阻溫度計(如Cernox, Ruthenium Oxide, PT10081)、二極管溫度計等。對於極低溫(mK級),可能需要更專業的溫度計,如庫倫阻塞溫度計(Coulomb Blockade Thermometer)或雜訊溫度計41。此外,還需要低溫磁場傳感器,例如 Paragraf 公司基於石墨烯的低溫霍爾傳感器,可以在mK溫度和強磁場下工作95。
    • 其他專用儀器: 可能還包括鎖相放大器(Lock-in Amplifiers)、計數器(Counters)、時間相關單光子計數(TCSPC)模塊(用於光學接口)等。
    • 供應商: 傳統的RF/微波測試測量儀器主要由 Keysight Technologies, Rohde & Schwarz, Anritsu 等公司提供。低溫測量和控制領域的專業供應商包括 Lake Shore Cryotronics (提供低溫傳感器、儀器、探針台等)94。NIST等國家計量機構在開發低溫測量標準和高精度儀器方面發揮著重要作用58。Paragraf 提供專業的低溫霍爾傳感器95。值得注意的是,許多量子控制系統供應商(如 Zurich Instruments54, Qblox, Quantum Machines)的產品本身就集成了部分測量功能(如數字化、信號分析)。

    D. 古典計算資源 (Classical Computing Resources)

    量子計算機並不能完全獨立工作,它需要與古典計算機緊密協作。古典計算資源在超導量子計算系統中扮演著多重角色:

    • 實驗控制與編排(Experiment Control and Orchestration): 古典計算機負責運行用戶編寫的量子程序或實驗腳本,將高級指令(如量子算法步驟)轉換為底層的脈衝序列,並通過控制電子設備發送到量子處理器。它協調整個實驗流程,包括參數設置、序列執行、數據採集和存儲。
    • 數據處理與分析 (Data Processing and Analysis): 從量子位元讀取獲得的原始數據(通常是電壓或數字化信號)需要由古典計算機進行處理(如信號積分、閾值判斷、狀態判別),以提取出最終的量子態測量結果(0或1)7。對於更複雜的實驗,如量子態層析成像(Quantum State Tomography)或隨機基準測試 (Randomized Benchmarking),需要大量的古典計算來分析測量數據,重構量子態或評估門保真度。
    • 實時反饋計算(Real-time Feedback Computation): 如前所述,對於QEC 和動態校準等需要快速響應的任務,古典計算需要在極短的時間內(奈秒到微秒)完成。雖然部分實時計算由控制系統內的FPGA 或專用處理器完成50,但更複雜的計算(如QEC解碼、AI 模型推理)可能需要更強大的古典計算資源,並要求這些資源與量子控制系統之間具有極低延遲的接口7。
    • 系統監控與管理(System Monitoring and Management): 古典計算機還用於監控整個系統的狀態,包括低溫系統的溫度、壓力,真空系統的狀態,電子設備的工作情況等,並進行必要的管理操作。
    • 用戶接口與雲連接(User Interface and Cloud Connection): 提供用戶與量子計算機交互的界面,並負責與雲端量子計算平台的連接,實現遠程任務提交、資源管理和結果獲取4。

    實現這些功能通常需要標準的高性能工作站或伺服器,配備足夠的處理能力、內存和存儲空間,並運行特定的操作系統和控制軟件(通常由控制電子設備供應商或系統集成商提供)7。對於需要大規模並行計算或 AI加速的實時任務,越來越多的系統開始集成 GPU60。NVIDIA的DGX Quantum平台就是一個典型的例子,它將高性能 GPU與 Quantum Machines 的OPX 控制系統緊密結合,專門用於加速量子-經典混合計算任務51。

    E.發展趨勢分析

    考察輔助系統的發展,可以觀察到兩個相互關聯的趨勢。其一,真空、屏蔽、測量等輔助系統的性能和集成度,對於實現和維持高性能量子位元至關重要,已成為整體系統性能的關鍵賦能因素,而非僅僅是外圍支持。量子位元對環境雜訊的極端敏感性意味著任何微小的環境擾動都可能破壞計算。輔助系統的作用正是直接對抗這些擾動源:超高真空系統通過消除氣體分子碰撞來減少去相干9;精心設計的多層磁屏蔽和輻射屏蔽則阻擋外部磁場波動和有害輻射45;信號線路中恰當的熱化、濾波和衰減設計則抑制了雜訊沿線纜的傳播15。同時,準確可靠的測量儀器和校準技術是理解、優化和驗證量子位元性能的基礎46。因此,這些輔助系統的設計水平、材料選擇、製造工藝和集成方式,直接決定了量子位元的相干時間、門保真度和整體系統的穩定性與可靠性。它們不再是簡單的配套設施,而是與核心量子元件同等重要的性能決定因素。

    其二,為了滿足實時反饋、量子糾錯和複雜校準等高級應用的需求,量子控制系統與高性能古典計算(特別是GPU加速)的融合正在不斷加深。許多重要的量子計算任務,尤其是邁向容錯計算所必需的量子糾錯,需要在量子位元的相干時間內完成“測量-古典計算-反饋操作”的閉環5。例如,QEC需要快速讀取糾錯碼的校驗子(syndrome),通過複雜的經典解碼算法判斷錯誤類型和位置,然後實時應用相應的修正脈衝5。同樣,利用AI/ML 進行自動化校準也涉及大量的實時數據處理和模型推理51。傳統的基於CPU的控制方式可能無法滿足這些任務對速度和吞吐量的要求14。GPU 由於其大規模並行處理能力,非常適合加速 QEC解碼、機器學習等計算密集型任務60。這促使業界開發出如 NVIDIA DGX Quantum 這樣的集成平台51,它將強大的GPU計算資源與低延遲的量子控制硬件(如Quantum Machines OPX)緊密耦合,使得複雜的古典計算能夠在量子控制迴路內部以極高的速度執行。這標誌著量子計算架構正朝著硬件層面深度融合的混合量子-經典模式發展,以克服未來大規模、容錯量子計算所面臨的古典計算瓶頸。

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    王培儒 硬體導論