Một bộ xử lý lượng tử siêu dẫn, nhìn từ phía phòng thí nghiệm ở nhiệt độ phòng, là một bài toán vi sóng rất khắt khe. Chip qubit nằm dưới đáy tủ lạnh pha loãng ở khoảng chục milikelvin, còn toàn bộ tín hiệu điều khiển và tín hiệu đọc đều được sinh ra và thu về bằng thiết bị vi sóng thông thường. Vì vậy đo lường lượng tử trên nền siêu dẫn thực chất là bài toán tổng hợp và thu nhận tín hiệu vi sóng ở mức chính xác cao hơn hẳn thông lệ viễn thông. Bài viết này mô tả yêu cầu kỹ thuật của từng khối trong chuỗi đó.
Đo lường lượng tử khác đo lường RF cổ điển ở chỗ nào
Ba khác biệt định hình toàn bộ yêu cầu thiết bị.
Thứ nhất, sai số tích luỹ chứ không trung bình về không. Trong một chuỗi hàng trăm cổng logic, lệch biên độ 0,1 % ở mỗi xung không tự triệt tiêu mà cộng dồn thành lỗi trạng thái cuối. Điều này đặt yêu cầu về độ lặp lại biên độ và pha cao hơn nhiều so với một hệ thống viễn thông, nơi bộ cân bằng hoá và mã sửa lỗi ở phía thu hấp thụ phần lớn sai số.
Thứ hai, mọi tín hiệu phải đồng bộ pha với nhau. Cổng hai qubit đòi hỏi các xung tác động lên các qubit khác nhau giữ quan hệ pha xác định. Toàn hệ thống phải chạy trên một tham chiếu chung, và độ trôi pha giữa các kênh là một nguồn lỗi trực tiếp.
Thứ ba, tín hiệu đọc cực nhỏ. Công suất thăm dò phải đủ thấp để không kích thích qubit ra khỏi trạng thái đang cần đo, nghĩa là mức tín hiệu về gần sàn nhiễu lượng tử. Toàn bộ chuỗi thu phải được thiết kế quanh ràng buộc đó.
Transmon và bản đồ tần số: mọi thứ nằm ở đâu
Qubit siêu dẫn phổ biến nhất hiện nay là transmon. Tần số chuyển mức giữa trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích thứ nhất của transmon thường nằm trong dải 4–8 GHz. Trong một hiện thực cụ thể đã công bố, các transmon trải từ 3,1 đến 5,5 GHz còn các resonator đọc nằm ở 6,8 đến 7,3 GHz — tức hai nhóm tần số được cố ý tách xa nhau để tín hiệu đọc không kích thích qubit.
Bản đồ tần số này quyết định yêu cầu phần cứng: nguồn phát phải phủ ít nhất tới khoảng 8 GHz cho điều khiển và đọc, và phải có độ tinh khiết phổ đủ cao để nhiễu pha ở khoảng cách tần số vài MHz quanh sóng mang không gây mất pha cho qubit. Đây chính là chỗ chỉ tiêu nhiễu pha của nguồn phát chuyển trực tiếp thành thời gian mất pha của qubit.
Điều khiển XY và Z: yêu cầu với khối tổng hợp tín hiệu
Có hai loại điều khiển với hai yêu cầu phần cứng khác nhau.
Điều khiển XY — xoay trạng thái qubit quanh trục X hoặc Y — thực hiện bằng một xung vi sóng cộng hưởng với tần số qubit. Góc xoay tỷ lệ với tích phân biên độ theo thời gian, còn trục xoay do pha của xung quyết định. Trong thực tế, xung được tạo bằng cách điều chế IQ một sóng mang: hai kênh băng gốc I và Q từ bộ tạo dạng sóng đi vào bộ trộn IQ cùng với sóng mang từ nguồn phát vi sóng.
Hình dạng xung không tuỳ tiện. Xung vuông có phổ rộng sẽ kích thích cả chuyển mức lên trạng thái thứ hai của transmon — transmon chỉ phi điều hoà yếu, nên rò rỉ ra ngoài không gian tính toán là rủi ro thực. Vì vậy xung thường được tạo dạng Gaussian và bổ chính đạo hàm để triệt rò rỉ, và chất lượng của việc tạo dạng đó phụ thuộc trực tiếp vào tốc độ lấy mẫu và độ phân giải của bộ tạo dạng sóng.
Điều khiển Z — dịch tần số qubit bằng từ thông — dùng xung băng gốc chứ không phải vi sóng, nhưng đòi hỏi độ phẳng đáp ứng bước rất cao: một đuôi trôi chậm sau xung sẽ làm tần số qubit chưa kịp về đúng chỗ khi cổng tiếp theo bắt đầu.
Đọc tán sắc và đọc ghép kênh: chuỗi thu phải làm gì
Trạng thái qubit không đo trực tiếp được. Cơ chế chuẩn là đọc tán sắc: mỗi transmon ghép điện dung với một resonator vi sóng, và trạng thái qubit làm dịch tần số cộng hưởng của resonator đi một lượng nhỏ. Thăm dò resonator bằng một tín hiệu vi sóng rồi đo biên độ và pha phản hồi, ta suy ra trạng thái qubit mà không cần chạm vào nó.
Để mở rộng số qubit, nhiều resonator được ghép chung vào một đường truyền và mỗi resonator được đặt ở một tần số riêng — đây là đọc ghép kênh. Đường truyền chung được thăm dò bằng một tín hiệu vi sóng điều chế IQ, chứa đồng thời nhiều tần số thăm dò; tín hiệu về được hạ tần rồi tách kênh bằng xử lý số. Cách làm này giảm mạnh số đường cáp phải đưa xuống tủ lạnh — một ràng buộc vật lý thật, vì mỗi sợi cáp đều dẫn nhiệt xuống tầng lạnh nhất.
Về mặt đo lường, bài toán đọc ghép kênh giống bài toán giải điều chế đa sóng mang trong viễn thông, và các khái niệm về chất lượng vector tín hiệu áp dụng gần như nguyên vẹn — nền tảng này được trình bày trong bài đo EVM 5G FR2 mmWave và kiểm thử OTA.
T1, T2 và độ chính xác cổng — thước đo cuối cùng
Chất lượng của toàn bộ chuỗi điều khiển và đọc cuối cùng hiện ra ở ba con số.
T1 là thời gian hồi phục năng lượng — qubit tự rơi từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản. T2-echo là thời gian mất pha sau khi đã khử phần nhiễu tần số thấp bằng xung echo. Mức tốt nhất đã công bố cho transmon phẳng là T1 = 0,964 ± 0,092 ms và T2-echo = 1,155 ± 0,188 ms; các nghiên cứu transmon 2D khác cũng đã vượt mốc 1 ms. Đây là con số phòng thí nghiệm tiên tiến, không phải mặt bằng chung, nhưng nó cho biết trần vật lý hiện tại nằm ở đâu.
Độ chính xác cổng là thước đo trực tiếp nhất vì nó gộp mọi nguồn lỗi. Cổng một qubit đã đạt 99,994 %; cổng CZ hai qubit đạt 99,91 ± 0,02 % xác nhận bằng interleaved randomized benchmarking. Một nhà sản xuất khác công bố mốc 99,9 % cho cổng hai qubit cùng thời gian kết hợp 1 ms.
Điều đáng chú ý với người làm đo lường: khi cổng hai qubit đã ở mức 99,9 %, phần lỗi còn lại đủ nhỏ để nhiễu pha và độ ổn định biên độ của chính thiết bị tổng hợp tín hiệu trở thành một trong các yếu tố giới hạn. Nói cách khác, chất lượng thiết bị đo đã bước vào ngân sách lỗi của hệ thống.
Chọn thiết bị: vai trò của nguồn phát vi sóng và bộ tạo dạng sóng
Chuỗi điều khiển điển hình gồm hai khối bổ sung cho nhau.
Nguồn phát tín hiệu vector cung cấp sóng mang sạch và ổn định pha. Keysight M9384B VXG phủ 1 MHz – 44 GHz tuỳ chọn cấu hình (F14/F20/F32/F44 tương ứng 14 / 20 / 31,8 / 44 GHz), công suất ra tới +24 dBm, độ phân giải tần số 0,01 Hz và băng thông điều chế tới 2 GHz. Dải tần này phủ thừa vùng 4–8 GHz của transmon, phần dư dùng cho các kiến trúc qubit tần số cao hơn và cho tín hiệu bơm của bộ khuếch đại tham số. Bản PXIe Keysight M9383B phù hợp khi cần mật độ kênh cao trong một khung máy.
Bộ tạo dạng sóng tuỳ ý (AWG) sinh ra chính hình dạng xung. Keysight M8195A đạt tới 65 GSa/s, băng thông 25 GHz, độ phân giải 8 bit, tới 4 kênh trong một module AXIe chỉ chiếm 1 khe. Tốc độ lấy mẫu cấu hình được ở 53,76–65,00 GSa/s, hoặc chia hai còn 26,88–32,50 GSa/s, hoặc chia bốn còn 13,44–16,25 GSa/s. Với xung điều khiển qubit dài vài chục nanosecond, tốc độ lấy mẫu cao đồng nghĩa với việc mô tả được sườn xung và phần bổ chính đạo hàm một cách trung thực — thứ quyết định mức rò rỉ ra trạng thái thứ hai.
Mật độ kênh cao trên mỗi khe là yếu tố thực tế hơn vẻ ngoài của nó: số kênh điều khiển tăng tuyến tính theo số qubit, nên diện tích giá máy và ngân sách đồng bộ pha nhanh chóng trở thành ràng buộc chi phối khi hệ thống mở rộng.
Kết luận: độ chính xác của phép đo bắt đầu từ thiết bị được hiệu chuẩn
Ở mức độ chính xác cổng 99,9 % trở lên, ngân sách lỗi của hệ thống lượng tử đã đủ chặt để sai lệch biên độ, pha và nhiễu pha của thiết bị vi sóng góp phần đáng kể. Điều đó biến hiệu chuẩn định kỳ từ một thủ tục tuân thủ thành một yêu cầu kỹ thuật thực sự: nguồn phát trôi công suất 0,2 dB là góc xoay của mọi cổng đều lệch.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam, cung cấp thiết bị tổng hợp và phân tích tín hiệu vi sóng cho các nhóm nghiên cứu, đồng thời vận hành phòng thí nghiệm hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025. Nếu nhóm của bạn đang xây dựng hệ đo cho nghiên cứu lượng tử hoặc cần hiệu chuẩn thiết bị vi sóng hiện có, liên hệ hotline 0908 173 345 để được kỹ sư ứng dụng hỗ trợ.
