量子计算研究人员的任务是创造可能是历史上最复杂、最精确的科学设备，他们还需要建造这些机器——以及它们所有的外围组件——这样它们才能在宇宙中最不适宜居住的条件下工作。
根据最近发表在《International Journal of Microwave and Wireless Technologies.》期刊的一篇论文中，英国国家物理研究院（NPL）的研究人员总结了他们在为微波和量子设备创建精确测量系统方面取得的一些进展，这些设备可以在极低的温度下工作，低至几毫开尔文（mK）。
首先，重要的是要注意为什么这很重要。为了开发量子计算中使用的一些集成组件，需要在低温下进行精确的射频表征。其中包括有源和无源低温电子设备、电缆、互连、多路复用器、量子和射频集成电路（ic）、通量量子电子、低温cmos技术、量子硬件封装和参数放大器。
因此，如果我们想要构建更高效、更可靠的量子计算机，这些组件是绝对必要的。
以下是该团队在论文中分享的低温射频（RF）表征的一些最新进展，他们说这些进展可能会开辟量子计算的新领域。
测量技术的创新
研究人员写道，最近的研究已经导致了能够在低至数十mK的温度下表征微波和量子器件的复杂测量系统的创建，包括测量同轴连接器件、片上器件、晶上器件和衬底材料的s参数的系统。这些系统对于理解这些设备在量子计算所需的极端条件下的表现至关重要。
该过程包括将测试设备（dut）放置在一个寒冷、隔离的环境中，如稀释冰箱，并将它们与室温测试设备（如矢量网络分析仪（VNA））连接。这种设置虽然有效，但也带来了重大挑战。冰箱内部的电缆和部件经常会产生误差，必须使用专门的校准技术来纠正。
克服校准挑战
在低温下进行校准是必要的，因为它具有挑战性。在室温下，校准通常涉及手动或使用电子校准（ECal）套件将校准标准连接到测量参考平面。然而，由于需要多次冷却循环以及在这种寒冷条件下电子设备性能的可变性，这些方法在低温下不起作用。
为了解决这个问题，研究人员报告说，他们已经开发出专门的校准标准和技术，部署在DUT附近。这些方法允许精确的s参数测量，揭示设备的真实性能以及它们如何受到低温的影响。
晶圆上测量能力
芯片上或晶圆级平面集成电路的微波晶圆测量对于寻求规模量子计算机的团队至关重要。低温晶圆上测量允许在低温下直接表征“被测设备”或DUT，无需额外的连接器或接口。根据研究人员的说法，这种方法保证了更高的准确性和对设备性能的洞察力。
英国国家物理实验室与伦敦大学皇家霍洛威学院合作，正在努力开发这些能力。他们正在改造一个低温探测站，用于4 K左右的微波探测，并专门基于共面波导结构创建校准和验证标准。该团队希望这将为商用量子计算机的更大进步铺平道路。
射频功率和噪声测量
微波功率表征是另一个关键领域。准确的功率测量是表征有源和非线性器件如放大器、滤波器和混频器的必要条件。传统的室温技术不适合低温应用，这也是由于在低温下标准性能的变化。
研究人员正在探索新的方法，包括在低温环境中产生微波功率和使用基于量子的功率传感器。这些方法旨在提供SI -国际单位制-可追溯性和在低温下精确的功率测量。
噪声特性也同样重要。在超导量子计算中，低噪声放大器对于准确读取量子位的状态至关重要。准确的噪声测量有助于控制和验证系统组件所增加的噪声，这对系统的灵敏度至关重要。研究人员正在开发在低温下测量放大器噪声特性的方法，包括冷衰减法和y因子法。这些技术需要创新的校准和测量系统，以确保在低温下的准确性。
未来发展方向及行业影响
研究人员写道，国家物理实验室正在进行的开发这些低温测量能力的努力是英国国家量子技术计划的一部分。该计划旨在解决英国低温微波测试和测量设施的短缺问题。
该团队补充说:“这包括开发在低至数十mK的温度下表征各种器件的s参数、功率和噪声的能力。这些能力将有助于表征同轴连接器件和非连接器件，如片上、晶圆上器件和基板材料。”
最终，研究人员表示，他们正在设计的改进的测量技术和能力将用于“支持工业界和学术界为量子计算创造新的和改进的设备”。
