一种适用于量子应用的C波段低温砷化镓低噪声放大器

《Chip》：A C-band cryogenic gallium arsenide low-noise amplifier for quantum applications

基于150 nm GaAs pHEMT工艺设计并实现了一种C波段三级级联低温低噪声放大器（cryo-LNA），功耗15 mW，在4-8 GHz频段内平均增益达40 dB，噪声温度最低4 K。实验表明该放大器可直接支持98.3%单次离散读出保真度的超导量子比特读取，无需量子受限参数放大器辅助，为大规模量子计算提供了兼容现有稀释制冷系统的低成本解决方案。

　　在当今量子计算技术快速发展的背景下，实现大规模、高保真度的量子比特读取是推动量子计算机实用化的关键环节之一。随着量子处理器集成的量子比特数量从几十个迅速增长到上千个，对高精度、低噪声、低功耗的量子读取设备的需求也变得愈发迫切。其中，低温低噪声放大器（cryo-LNA）作为量子比特读取系统中的核心组件，其性能直接影响量子信息的准确性和系统的整体效率。本文介绍了一种基于150纳米砷化镓（GaAs）伪高电子迁移率晶体管（pHEMT）工艺的C波段单片微波集成电路（MMIC）低温低噪声放大器，旨在为大规模量子计算系统提供可靠的读取支持。

### 量子比特读取与低温低噪声放大器的重要性

在量子计算系统中，量子比特的读取通常涉及对超导电路的微波信号进行放大和分析。这种读取过程需要在极低温环境下进行，以减少热噪声对信号的干扰。传统的低噪声放大器虽然在常温下表现出色，但在低温环境下存在诸多挑战，包括器件行为的改变、宽带匹配的困难以及电路稳定性的问题。因此，开发适用于低温环境的低噪声放大器成为实现高保真度量子读取的重要研究方向。

本文提出的低温低噪声放大器专为超导量子比特的读取需求设计，其性能在C波段（4-8 GHz）内得到了验证。该放大器采用了三阶段级联架构，其中第一阶段通过精细的阻抗匹配优化了噪声性能和回波损耗，第二和第三阶段则通过负反馈回路提升了电路的稳定性。此外，放大器还引入了电流复用结构，减少了整体功耗，并仅需一条偏置线，简化了低温环境下的布线复杂度。这些设计特点使其在量子计算系统中具有较高的实用价值。

### 技术背景与挑战

在量子计算领域，超导量子比特因其高相干性和可扩展性成为主流选择之一。然而，随着量子比特数量的增加，量子读取系统必须具备足够的规模和性能，以支持大规模的量子处理器。传统的量子读取方案通常依赖于低温参量放大器（JPA），其量子极限噪声温度（约0.2 mK）远低于常规低温放大器。然而，JPAs的复杂性和高成本限制了其在大规模量子系统中的广泛应用。

相比之下，基于GaAs pHEMT工艺的低温低噪声放大器在工业领域已有成熟应用，且其在低温下的性能也得到了验证。GaAs pHEMT具有较低的噪声特性、较高的增益以及良好的工艺兼容性，这使其成为实现大规模量子读取的理想候选技术。此外，GaAs技术在成本和可扩展性方面具有显著优势，适合用于量子计算系统的批量生产。

### 放大器的设计与实现

本文提出的低温低噪声放大器采用了三阶段级联结构，以平衡增益、噪声和功耗。第一阶段的放大器通过精细的输入阻抗匹配网络（IMN）优化了噪声性能，确保信号在传输过程中尽可能减少失真和噪声引入。第二和第三阶段则通过负反馈机制来增强电路的稳定性，避免在低温下出现振荡或其他不稳定现象。

为了降低功耗，放大器采用了电流复用结构。该结构通过将第二和第三阶段的漏极电流与第一阶段共享，减少了整体的电流消耗。同时，这种设计也简化了低温下的布线，使得放大器能够在有限的冷却功率和空间内实现高效率运行。在模拟测试中，放大器的增益在2-10 GHz范围内超过30 dB，并在4-8 GHz频段达到40 dB的平均增益。其噪声温度在4-8 GHz范围内保持在4 K以下，表现出优异的噪声抑制能力。

在实际制造过程中，该低温低噪声放大器采用150纳米GaAs pHEMT工艺，具有紧凑的芯片尺寸（1.85 mm × 1.2 mm），便于集成到量子读取系统中。为了确保其在低温环境下的性能，放大器被封装在铜制盒体内，并使用2.92毫米连接器进行信号传输。信号传输线路采用Rogers 5880材料，以降低信号损耗并提高热传导效率。

### 放大器的性能测试与评估

在室温（300 K）下，该低温低噪声放大器的增益随偏置电压和电流的增加而提升，其最大增益可达40 dB以上。在5-7 GHz频段，增益保持在36 dB以上，显示出良好的频率响应特性。同时，其噪声温度在室温条件下保持在1.5 dB以下，表明其在低温环境下的噪声性能得到了有效优化。

在低温（3.6 K）条件下，放大器的增益和噪声性能进一步提升。测量结果显示，其在4-8 GHz频段的平均增益为40 dB，而噪声温度则下降至6 K以下。特别是在5-7 GHz频段，噪声温度甚至可以降低至4 K，展现出卓越的低温噪声抑制能力。这些性能指标表明，该低温低噪声放大器在量子读取系统中具有较高的可靠性。

为了准确评估低温放大器的噪声性能，研究团队采用了冷衰减器法进行测量。通过在放大器输入端连接20 dB的衰减器，并在低温环境下使用噪声源和微波分析仪（Keysight FieldFox N9918A）进行数据采集，最终得到了噪声温度的准确测量结果。此外，团队还对放大器的插入损耗进行了测量，以校准电缆损耗并排除外部干扰因素。

### 与超导量子比特的联合测试

为了验证低温低噪声放大器在实际量子系统中的表现，研究团队将其集成到一个超导量子比特读取系统中，并进行了联合测试。测试结果表明，该放大器在不依赖量子极限参量放大器的情况下，能够实现高达98.3%的单次读取保真度。这一结果表明，该放大器在量子读取过程中能够有效抑制噪声，提高信号的信噪比（SNR）。

在测试过程中，团队发现即使在较低的直流功耗（约6 mW）下，放大器也能提供可靠的读取保真度，超过95%。这说明该放大器在保持高性能的同时，具备较低的功耗特性，有助于降低整个量子系统对冷却设备的依赖。此外，SNR随着功耗的增加而提升，当功耗达到10 mW时，SNR即可达到3.5，足以支持高保真度的量子比特读取。

### 实际应用与未来展望

本文提出的低温低噪声放大器不仅在技术指标上表现出色，还具备良好的可扩展性和成本优势。其采用的GaAs pHEMT工艺和MMIC结构，使得放大器能够在低温环境下稳定运行，并且适用于大规模量子系统的集成。同时，其仅需一条偏置线的设计，进一步简化了低温布线的复杂性，降低了系统维护和部署的难度。

随着量子计算技术的不断进步，对低温读取设备的需求将持续增长。本文提出的低温低噪声放大器为这一领域提供了新的技术路径，尤其是在提升读取保真度、降低功耗和简化系统结构方面具有重要意义。未来，研究团队计划进一步优化偏置电路设计，以减少寄生效应并提升低温下的性能。此外，团队还希望探索该放大器在更宽频率范围内的应用潜力，以满足不同量子系统的读取需求。

### 结论

本文成功开发了一款基于GaAs pHEMT工艺的C波段低温低噪声放大器，该放大器在4-8 GHz频段内表现出优异的性能，包括平均增益40 dB和最低噪声温度4 K。通过与超导量子比特的联合测试，该放大器在不依赖量子极限参量放大器的情况下，实现了高达98.3%的单次读取保真度，展示了其在量子计算系统中的实用价值。该放大器的紧凑设计和低功耗特性，使其成为大规模量子计算系统中不可或缺的一部分。随着量子计算技术的不断演进，这种低温低噪声放大器有望在未来推动量子计算机的进一步发展，为实现高保真度、大规模的量子计算系统提供强有力的技术支持。