一种拓扑量子比特阵列的读出放大与信号调理集成结构的制作方法

本发明涉及量子计算与信号处理，具体涉及一种拓扑量子比特阵列的读出放大与信号调理集成结构。本发明尤其适用于拓扑量子比特量子态读取信号的放大、滤波和数字化处理，以及多通道并行读出的信号调理和抗噪处理场景。

背景技术：

1、拓扑量子比特的量子态读取依赖对微弱电信号的精确测量。量子点接触或谐振器输出的信号通常在皮安至纳安级别，需要在低温端进行低噪声放大，然后传输至室温端进行进一步信号调理和数字化处理。随着量子比特数量的增加，读出通道的数量急剧增长，对读出放大与信号调理结构的集成度和性能提出了更高的要求。

2、现有读出放大与信号调理技术主要分为以下几类：

3、（一）低温低噪声放大器

4、在低温端（4k或更低温度）设置低噪声放大器，对微弱信号进行初步放大。该类方案存在以下问题：（1）低温放大器的功耗导致额外热负荷；（2）放大器的噪声系数受温度影响；（3）多通道放大器的集成度低；（4）放大器的增益带宽积有限。

5、（二）室温信号调理

6、将低温信号传输至室温后进行滤波、放大和数字化处理。该类方案存在以下问题：（1）长距离传输引入噪声；（2）传输线损耗导致信号衰减；（3）多通道信号的路由复杂；（4）系统延迟大。

7、（三）片上集成读出放大器

8、在量子芯片上直接集成读出放大器。该类方案存在以下问题：（1）放大器与量子比特之间的串扰；（2）放大器的功耗影响量子芯片的温度；（3）芯片面积增加；（4）制备工艺与量子比特工艺的兼容性问题。

9、（四）时间复用读出结构

10、通过时间复用方式共享读出放大器，减少放大器数量。该类方案存在以下问题：（1）读出速度受限；（2）复用开关引入额外噪声；（3）无法实现真正的并行读出；（4）时序复杂。

11、综上所述，现有读出放大与信号调理技术的共同根本性缺陷在于：缺乏一种能够同时实现低噪声、高密度、并行读出的拓扑量子比特阵列读出放大与信号调理集成结构。

技术实现思路

1、（一）发明目的

2、本发明提供了一种拓扑量子比特阵列的读出放大与信号调理集成结构，旨在解决现有读出放大与信号调理中噪声大、密度低、无法并行读出的技术难题。

3、（二）技术原理

4、本发明基于低噪声放大原理和信号调理原理。在本发明中，读出放大与信号调理通过以下物理链条实现：

5、低温低噪声前置放大：在量子芯片附近设置低噪声前置放大器，对量子点接触或谐振器输出的微弱信号进行第一级放大。前置放大器的噪声系数尽可能低，增益适中。

6、信号滤波与阻抗转换：在前置放大后设置滤波器和阻抗转换器，滤除带外噪声，将信号阻抗转换为适合传输的阻抗值。

7、差分信号传输：将单端信号转换为差分信号进行长距离传输，抑制共模噪声。

8、室温信号调理与数字化：在室温端设置可变增益放大器、滤波器和模数转换器，将模拟信号转换为数字信号。

9、多通道并行读出：各读出通道独立并行工作，实现多量子比特的同时读出。

10、与现有技术的根本区别：本发明不是“单通道串行读出”的方案，而是通过低温前置放大、差分传输和并行读出实现高密度低噪声的信号调理。

11、（三）技术方案

12、一种拓扑量子比特阵列的读出放大与信号调理集成结构，其特征在于，包括：

13、低温前置放大器阵列，设置于量子芯片附近，用于对量子点接触输出的微弱信号进行低噪声前置放大；

14、滤波器阵列，连接至所述低温前置放大器阵列的输出端，用于滤除带外噪声；

15、差分转换器阵列，连接至所述滤波器阵列的输出端，用于将单端信号转换为差分信号；

16、差分传输线阵列，连接至所述差分转换器阵列，用于将差分信号从低温端传输至室温端；

17、室温可变增益放大器阵列，设置于室温端，用于对差分信号进行增益调节；

18、模数转换器阵列，连接至所述室温可变增益放大器阵列，用于将模拟信号转换为数字信号。

19、一种拓扑量子比特阵列的读出放大与信号调理方法，其特征在于，包括以下步骤：

20、s1：通过低温前置放大器阵列对量子点接触输出的微弱信号进行低噪声前置放大；

21、s2：通过滤波器阵列滤除带外噪声；

22、s3：通过差分转换器阵列将单端信号转换为差分信号；

23、s4：通过差分传输线阵列将差分信号从低温端传输至室温端；

24、s5：通过室温可变增益放大器阵列对差分信号进行增益调节；

25、s6：通过模数转换器阵列将模拟信号转换为数字信号。

26、（四）有益效果

27、第一，低温前置放大在信号源端放大微弱信号，信噪比提升20db以上。

28、第二，差分信号传输抑制共模噪声，传输损耗降低50%以上。

29、第三，多通道并行读出支持大规模量子比特阵列的同步读取。

30、第四，可变增益放大器适应不同量子比特的信号幅度差异。

31、第五，集成化设计减少外部连接，提高系统可靠性。

1.权利要求 1：

2.权利要求 2：

3.权利要求 3：

4.权利要求 4：

5.权利要求 5：

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10.权利要求 10：