Một máy tính lượng tử siêu dẫn chỉ hữu ích khi nó trả lời được câu hỏi “qubit này đang ở trạng thái nào” trong vài trăm nano-giây và đúng trên 99% số lần. Toàn bộ khó khăn nằm ở mức năng lượng: tín hiệu mang thông tin trạng thái chỉ gồm vài chục photon vi sóng. Vì vậy phép đọc trạng thái qubit trước hết là một bài toán ngân sách tín hiệu trên nhiễu.
Dưới đây là nguyên lý đọc tán sắc, vai trò của khuếch đại tham số ở tầng millikelvin, cách lập ngân sách tín hiệu trên nhiễu, và yêu cầu đặt lên thiết bị vi sóng ở nhiệt độ phòng.
Đọc tán sắc: đo qubit mà không nhìn thẳng vào qubit
Trong điện động lực học lượng tử mạch (circuit QED), qubit siêu dẫn không được đo trực tiếp. Nó được ghép tán sắc với một cộng hưởng đọc siêu dẫn (readout resonator) — lệch cộng hưởng đủ xa để không trao đổi năng lượng, chỉ trao đổi pha — và trạng thái được suy ra từ độ dịch pha mà một tín hiệu vi sóng yếu, gần cộng hưởng, chịu khi đi qua cộng hưởng đọc.
Cơ chế này giải thích ba đặc điểm. Một, phép đo là không phá huỷ theo nghĩa lượng tử (QND): nó chiếu trạng thái về một trong hai đáp án nhưng không làm qubit rời khỏi đáp án đó, nên dùng được cho hiệu chỉnh lỗi. Hai, tín hiệu ra là một cặp I/Q, nên chuỗi thu phải bảo toàn pha. Ba, bơm quá nhiều photon vào cộng hưởng đọc sẽ đẩy qubit ra khỏi vùng tán sắc và làm hỏng tính QND. Vì không được tăng tín hiệu, cách duy nhất cải thiện tỉ số tín hiệu nhiễu là giảm nhiễu.
Vì sao cần khuếch đại tham số ở tầng millikelvin
Chuỗi khuếch đại cổ điển của hệ đo vi sóng lạnh bắt đầu bằng một HEMT ở tầng 4 K. HEMT tốt vẫn thêm nhiễu tương đương nhiều photon, nên với tín hiệu vài chục photon, phần lớn thông tin đơn phát bị chôn ngay ở tầng đầu. Muốn đọc tin cậy phải lấy trung bình hàng nghìn lần — và mất khả năng đọc đơn phát mà hiệu chỉnh lỗi bắt buộc phải có.
Lời giải là chèn thêm một tầng khuếch đại trước HEMT, đặt ngay ở tầng millikelvin, với nhiễu thêm vào ở mức giới hạn lượng tử: khuếch đại tham số Josephson (JPA) hoặc khuếch đại tham số sóng chạy (TWPA). Cụm từ “giới hạn lượng tử” có nghĩa rất chính xác: nhiễu do quá trình khuếch đại thêm vào chỉ đến từ nguyên lý bất định Heisenberg áp cho hai thành phần đồng pha và vuông pha. Đó là sàn không vượt qua được với khuếch đại bảo toàn pha, không phải một chỉ tiêu cải thiện được bằng vật liệu tốt hơn.
Ba tham số quyết định, và chúng đánh đổi lẫn nhau:
- Độ lợi — phải đủ để tín hiệu vượt lên trên nhiễu của HEMT phía sau.
- Băng thông tức thời — phải phủ toàn bộ tần số của các cộng hưởng đọc ghép chung một đường truyền, vì đọc nhiều qubit dùng ghép kênh theo tần số.
- Công suất bão hoà — phải cao hơn tổng công suất của mọi xung đọc đồng thời; đây là giới hạn siết chặt nhất khi số qubit tăng.
Một thiết kế công bố năm 2024 minh hoạ rõ các đánh đổi này: mảng 25 SQUID tần số vô tuyến đặt trong một cộng hưởng hệ số phẩm chất thấp, bơm bằng nguồn điện áp công suất cao đưa vào qua bộ ghép song công trên chính cổng tín hiệu. Kết quả: công suất bão hoà đầu vào tới −91,2 dBm ở độ lợi 20 dB, băng thông tức thời tới 28 MHz, hiệu suất lượng tử 62% với phép đo bảo toàn pha.
Ngân sách tín hiệu trên nhiễu cho chuỗi đọc
Cách làm việc thực dụng là lập bảng ngân sách theo tầng, từ cộng hưởng đọc đến bộ số hoá, với ba cột: độ lợi, nhiễu thêm vào, công suất bão hoà.
Nguyên tắc chi phối là công thức Friis: tầng đầu quyết định hệ số nhiễu tổng, các tầng sau bị chia bởi độ lợi tích luỹ phía trước. Một khuếch đại tham số 20 dB đặt đúng chỗ vì thế có giá trị hơn hẳn mọi cải thiện ở tầng nhiệt độ phòng — và ngược lại, một bộ suy hao đặt trước nó sẽ phá hỏng toàn bộ ngân sách.
Hai đại lượng nữa cần theo dõi:
- Hiệu suất lượng tử của chuỗi — tỉ lệ thông tin còn giữ được so với giới hạn lý tưởng. Con số 62% ở ví dụ trên đã bao gồm tổn hao trên đường và nhiễu của tầng sau, nên nó là chỉ số sức khoẻ tổng của chuỗi chứ không riêng của khuếch đại.
- Thời gian tích phân — tỉ số tín hiệu nhiễu tích luỹ theo thời gian đo, nhưng thời gian đo bị chặn trên bởi thời gian sống của qubit: đo lâu thì qubit phân rã, đo nhanh thì không đủ photon.
Cuối cùng, hàm trọng số tích phân trên hai thành phần vuông góc và việc chủ động rút cạn photon còn sót sau phép đo đều tác động lớn tới tỉ số tín hiệu nhiễu: một phần đáng kể của hiệu năng nằm ở khâu xử lý số.
Yêu cầu đặt lên thiết bị vi sóng ở nhiệt độ phòng
Nguồn kích và nguồn bơm. Nhiễu pha của nguồn kích đọc chuyển thẳng thành nhiễu trong mặt phẳng I/Q và làm nhoè hai cụm điểm ứng với hai trạng thái qubit. Keysight M9384B VXG là ví dụ về mức chỉ tiêu cần thiết: 1 MHz đến 31,8 GHz với tuỳ chọn F32 hoặc đến 44 GHz với F44, độ phân giải tần số 0,01 Hz, nhiễu pha SSB (tuỳ chọn ST6, danh định) ở dải đến 10 GHz đạt −120 dBc/Hz tại offset 1 kHz, −127 dBc/Hz tại 10 kHz và −133 dBc/Hz tại 100 kHz. Dải công suất đặt được từ −120 dBm đến +23 dBm, phân giải 0,01 dB — quan trọng vì công suất đọc phải dò chính xác quanh ngưỡng phá vỡ tính QND.
Với xung đọc, các chỉ tiêu điều chế xung của M9384B cũng đáng chú ý: thời gian sườn lên/xuống 7 ns (danh định, khi tắt ALC), tỉ số bật/tắt 60 dB (danh định) trong dải 10 MHz đến 11 GHz, và độ chính xác mức so với chế độ sóng liên tục ±0,75 dB. Tỉ số bật/tắt là chỉ tiêu bị bỏ quên nhiều nhất: giữa hai xung đọc, phần rò còn lại vẫn bơm photon vào cộng hưởng. Khi cần điều khiển nhiều qubit đồng bộ, độ lặp lại pha tương đối giữa hai kênh là 0,0001 độ với tuỳ chọn PCH — xem thêm bài định thời và đồng bộ chính xác cho hệ đo lượng tử.
Tạo dạng xung điều khiển. Xung điều khiển qubit thường có bao hình được nắn để giảm rò sang mức năng lượng thứ ba. Keysight M8195A cho tốc độ lấy mẫu 65 GSa/s, độ phân giải dọc 8 bit, băng thông tương tự 25 GHz, tối đa bốn kênh trong một khe AXIe và bộ nhớ dạng sóng tới 16 GSa; mô-đun đồng bộ M8197A ghép được tối đa bốn mô-đun M8195A thành hệ đồng pha với tối đa 16 kênh tương tự.
Máy thu và số hoá. Để đặc trưng chuỗi đọc — đo độ lợi và băng thông của khuếch đại tham số, dò tần số cộng hưởng đọc, kiểm tín hiệu giả — cần một máy phân tích tín hiệu có sàn nhiễu rất thấp. Keysight N9042B UXA có mức nhiễu nền hiển thị (DANL) khi bật LNA, ở dải trên 4,7 đến 17,1 GHz, đạt −160 dBm trên toàn dải nhiệt độ, −161 dBm trong khoảng 20 đến 30 °C và −165 dBm điển hình, đo với băng thông phân giải 1 Hz; tuỳ chọn Noise Floor Extension (NF2) cải thiện thêm 10 đến 11 dB. Nhiễu pha của chính máy tại tần số trung tâm 1 GHz là −123 dBc/Hz tại offset 1 kHz và −132 dBc/Hz tại 10 kHz — cần nhớ vì khi đo nhiễu pha của nguồn kích, bạn chỉ đo được tới sàn của máy. Về số hoá I/Q, máy dùng ADC 16 bit tốc độ 100 MSa/s với bộ nhớ thu 2 GB, băng thông phân tích chuẩn 10 MHz và mở rộng theo tuỳ chọn lên 255 MHz (B2X), 1 GHz (R10) hoặc 1,5 GHz (R15) — tham số quyết định khi cần quan sát đồng thời nhiều kênh đọc ghép tần số.
Chọn thiết bị Keysight cho phép đọc trạng thái qubit
- Nguồn kích đọc và nguồn bơm: M9384B — hai kênh, nhiễu pha thấp, sườn xung 7 ns.
- Tạo dạng xung điều khiển và xung đọc nắn bao hình: M8195A — 65 GSa/s, 25 GHz, tới bốn kênh mỗi mô-đun.
- Đặc trưng chuỗi thu và săn tín hiệu giả: N9042B — DANL rất thấp, băng thông phân tích tới 1,5 GHz.
Kết luận
Đọc trạng thái qubit không phải bài toán khuếch đại mạnh hơn, mà là giữ cho tỉ số tín hiệu nhiễu không bị phá ở tầng đầu tiên. Công suất kích bị chặn trên bởi tính không phá huỷ, thời gian tích phân bị chặn bởi thời gian sống của qubit, nên khuếch đại tham số ở giới hạn lượng tử đặt ngay tầng millikelvin là điểm mấu chốt. Phần việc còn lại ở nhiệt độ phòng là không làm hỏng ngân sách ấy.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam, vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho máy phát tín hiệu vi sóng và máy phân tích tín hiệu. Tư vấn cấu hình đo lường cho hệ lượng tử siêu dẫn, xin liên hệ hotline 0908 173 345.
