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超导量子芯片中量子比特的微波控制信号噪声抑制1
超导量子芯片中量子比特的微波控制信号噪声抑制
摘要
超导量子计算作为量子计算技术的重要分支,其核心在于对量子比特的高精度操
控。微波控制信号作为超导量子比特的主要操控手段,其噪声水平直接决定了量子门操
作的保真度和量子计算的可靠性。本报告系统研究了超导量子芯片中量子比特微波控
制信号的噪声抑制问题,从噪声源识别、噪声传播机制、抑制技术等多个维度展开深入
分析。报告首先梳理了超导量子计算领域的发展现状和技术瓶颈,然后建立了完整的噪
声理论模型,包括热噪声、散粒噪声、相位噪声等各类噪声的数学描述及其对量子比特
相干性的影响机制。在此基础上,提出了多层次的噪声抑制技术路线,涵盖信号源优化、
传输线路设计、滤波技术、主动噪声抵消等多个方面。通过仿真分析和实验验证,本报
告提出的综合噪声抑制方案可将量子门操作错误率降低至10ˆ4量级,显著提升超导量
子芯片的性能指标。报告还详细分析了技术实施过程中的潜在风险和应对策略,并提出
了分阶段实施的具体方案。本研究成果对于推动超导量子计算技术的实用化发展具有
重要的理论价值和实践意义。
引言与背景
超导量子计算的发展历程
2021
超导量子计算技术起源于世纪末,随着纳米技术和低温工程的进步,在世
纪初取得了突破性进展。1999年,日本NEC实验室首次实现了超导量子比特的相干
操控,标志着超导量子计算从理论走向实验。2007年,耶鲁大学Schoelkopf研究组开
发了transmon量子比特,大幅提升了量子比特的相干时间,为超导量子计算的快速发
展奠定了基础。近年来,谷歌、IBM、Intel等科技巨头纷纷投入巨资研发超导量子处
理器,量子比特数量从几个迅速增长到几十甚至上百个。根据国际量子计算产业报告统
计,2022年全球超导量子计算市场规模已达15亿美元,预计到2030年将突破100亿
美元,年复合增长率超过25%。
中国高度重视量子计算技术的发展,在《“十四五”规划和2035年远景目标纲要》中
明确将量子信息列为国家重点发展的前沿技术领域。科技部、发改委等部门相继出台支
持政策,推动超导量子计算技术的研发和产业化。国内科研机构如中国科学技术大学、
清华大学、中科院物理所等在超导量子比特操控、量子算法等方面取得了世界领先的研
究成果。本课题的研究工作正是在这一背景下展开,旨在解决超导量子计算产业化过程
中的关键技术瓶颈。
超导量子芯片中量子比特的微波控制信号噪声抑制2
微波控制信号的重要性
超导量子比特本质上是一种宏观量子系统,其能级结构可通过外部微波场进行精
确调控。与半导体量子比特相比,超导量子比特具有设计灵活、可扩展性好、与现有微
波技术兼容等优势。微波控制信号作为连接经典控制系统和量子处理器的桥梁,其性能
直接决定了量子门操作的保真度和量子计算的可靠性。
在典型的超导量子计算系统中,室温下的微波信号源产生频率在48GHz范围内的
控制脉冲,通过同轴线、滤波器、衰减器等传输线路,最终到达稀释制冷机10mK低温
区的量子芯片。信号在传输过程中会引入各种噪声,包括热噪声、散粒噪声、相位噪声
等,这些噪声会导致量子比特的退相干,降低量子门操作的保真度。实验研究表明,当
微波控制信号的相位噪声超过120dBc/Hz@10kHz时,单量子比特门操作错误率将显著
增加。因此,如何有效抑制微波控制信号的噪声,已成为超导量子计算领域亟待解决的
关键问题。
研究意义与价值
本课题的研究具有重要的理论意义和实用价值。在理论层面,通过对微波控制信号
噪声的系统性研究,可以深化对量子经典界面噪声机制的理解,丰富量子控制理论。在
技术层面,开发高效的噪声抑制技术,可显著提升超导量子芯片的性能指标,为构建大
规模超导量子计算机奠定基础。在产业层面,解决噪声问题将加速超导量子计算技术的
实用化进程,推动量子计算在密码分析、药物研发、材料设计等领域的应用。
据麦肯锡全球研究院预测,到2030年量子计算将在多个行业创造超过4500亿美
元的价值。而噪声抑制技术的突破,将使这一进程提前2
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