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半导体量子处理器中的量子比特读出
量子比特读出是量子计算机中需要在单个量子比特上实现的三个基本量子操作之一，它具有一量子比特门和二量子比特门。获得具有合理保真度的量子计算结果至关重要。它对于容错量子计算和量子纠错 (QEC) 协议也至关重要，因为它允许见证和追溯计算流程中发生的错误 [1]。在半导体量子电路中，要求量子比特读出保真度高于 99%，速度低于每发一微秒，以保证 QEC 效率并确保具有竞争力的计算运行时间。此外，为了在运行算法时调整测量性能 [4]，需要进行重复 [2] 或量子非破坏性测量 [3]。自旋读出操作的关键性能系数是保真度（或检测效率）、速度（必须快于弛豫时间 T1）以及能够执行读出所需的基本组件数量（储存器、量子点等）。直接测量量子点中捕获的单个电子自旋产生的磁场是一项非常具有挑战性的任务，2000 年初的一项“绝技”实验已经证明了这一点 [5]。除了复杂性之外，它还相当慢（ms），与量子计算不兼容。在半导体中，自旋读出是通过将自旋转换为电荷信息来执行的，并在接近 µs 的时间尺度上探测电子的电荷特性。
ICARUS‑Q：集成控制和读出单元，可扩展...
我们提出了一种基于 Xilinx 16 通道射频片上系统 (RFSoC) 设备的超导量子比特控制和测量装置。建议的装置由四部分组成：多个 RFSoC 板、用于跨多个板同步每个数模转换器 (DAC) 和模数转换器 (ADC) 通道的装置、用于调整量子比特频率的低噪声直流电源以及用于远程执行实验的云访问。我们还设计了没有物理混频器的装置。RFSoC 板使用高达第三奈奎斯特区的十六个 DAC 通道直接生成微波脉冲，这些微波脉冲由第五和第九个区域之间的八个 ADC 通道直接采样。由 AIP Publishing 独家出版。https://doi.org/10.1063/5.0081232
量子比特状态读出的相干控制 - Campbell Group
摘要 锁模激光器发出的短脉冲可以产生无背景的原子荧光，因为它允许瞬时偶发散射与随后的原子发射在时间上分离。我们利用这一点将光频和电子搁置离子阱量子比特的量子态检测提高了两个数量级以上。然而，对于原子超精细结构上定义的量子比特的直接检测，短脉冲的大带宽大于超精细分裂，并且重复激发不是量子比特状态选择性的。在这里，我们表明，通过将相干控制技术应用于被查询离子的轨道价电子，可以恢复超精细量子比特的投影量子测量所需的状态分辨率。我们展示了电子波包干涉，即使在存在大量背景激光散射的情况下，也可以使用宽带脉冲读出原始量子比特状态。
适合太空应用的低功耗 SiPM 读出 BETA ASIC
摘要 BETA 专用集成电路 (ASIC) 是一种完全可编程的芯片，旨在放大、整形和数字化多达 64 个硅光电倍增管 (SiPM) 通道的信号，功耗约为 ∼ 1 mW/通道。由于其双路增益，BETA 芯片能够解析信噪比 (SNR) >5 的单个光电子 (phes)，同时实现 ∼ 4000 phes 的动态范围。因此，BETA 可以为太空任务和其他应用中的最大速率低于 10 kHz 的 SiPM 读出提供经济高效的解决方案。在本研究中，我们描述了 BETA ASIC 的主要特性，并对其 16 通道版本的性能进行了评估，该版本采用 130 nm 技术实现。ASIC 还包含两个鉴别器，可以提供触发信号，对于 10 phes，时间抖动低至 400 ps FWHM。对于高达 15 位的动态范围，电荷增益测量的线性误差小于 2%。
X射线速读：实现下一代CCD的快速、低噪声读出
未来战略性 X 射线天文学任务（如 AXIS [ 1 ]）建议将大收集面积反射镜与大型、快速、宽视场成像仪相结合。高帧速率对于最大限度地减少点源的堆积影响以及减轻粒子背景对微弱弥散气体研究的影响至关重要。同时，还必须保持低噪音和出色的软 X 射线能量响应以满足关键的科学目标。除了所需的帧速率外，最先进的 CCD 几乎能够提供此类任务的所有关键性能指标。大型探测器的快速帧速率可带来非常高的有效像素速率。我们斯坦福大学的团队正在与麻省理工学院 (MIT) 和麻省理工学院林肯实验室 (MIT-LL) 合作，通过多管齐下的方法解决这一技术差距。为了实现更高的帧速率，我们正在努力提高单个输出的读出速度和每个 CCD 可以并行运行的输出数量。图 1 显示了适用于 AXIS 焦平面的可能 CCD 模块概念。单个输出的速度提高源于 CCD 输出级优化、通过使用专用 ASIC 减少寄生输出负载以及对视频波形使用数字信号处理。读出 ASIC 还允许我们以较小的占用空间和适中的功耗并行操作多个输出。我们还在研究 MIT-LL 制造的一种新型探测器技术，即单电子灵敏读出（以下简称 SiSeRO），虽然它还不能达到单电子噪声性能，但为实现极低噪声、高速 X 射线探测器提供了一条有希望的途径。
用于超导量子比特控制和读出的可扩展低温电子学
读出量子位，如图 1a 所示。图 1b-d 表示量子计算机从传统方法演变为可扩展架构。量子位是量子计算机中的基本计算块，由于其叠加和纠缠特性，可实现指数级更快的计算。量子位是一个两级系统，可以处于量子态 j ψ i ，可以表示为其两个计算基态 j 0 i 和 j 1 i 的叠加。这两个状态占据不同的层次，与经典数字逻辑零和一完全类似。量子位的状态有一个独特的注释，即布洛赫球面单位球表面上的一个点。如图 1e 所示，布洛赫球的北极和南极分别代表 j 0 i 和 j 1 i 状态，而布洛赫球表面的所有其他点则对应于不同的叠加态 j ψ i = α j 0 i + β j 1 i 。量子叠加态的振幅与平均占空比信号的经典模拟之间可以进行类比。两个电压电平 VDD 和 GND 在进行占空比和平均后，提供 VDD 和 GND 之间的所有电平，S avg = α VDD + β GND，如图 1f 所示。此外，在读出量子态时，输出要么处于 j 0 i 状态，要么处于 j 1 i 状态。同样，在读出经典模拟中的占空比平均信号时，输出要么为 VDD 要么为 GND。
使用超低噪声 SQUID 放大器实现量子点的灵敏射频读出
半导体中的电子自旋是最先进的量子比特实现方式之一，也是利用工业工艺制造的可扩展量子计算机的潜在基础 [1–3]。一台有用的计算机必须纠正计算过程中不可避免地出现的错误，这需要很高的单次量子比特读出保真度 [4]。用于错误检测的全表面码要求在计算机的每个时钟周期内读出大约一半的物理量子比特 [5]。直到最近，自旋量子比特装置中的单次读出只能通过自旋到电荷的转换来实现，由附近的单电子晶体管 (SET) 或量子点接触 (QPC) 电荷传感器检测 [6–9]。然而，如果使用色散读出，硬件会更简单、更小，这利用了双量子点中单重态和三重态自旋态之间的电极化率差异 [10–13]。可以通过与量子点电极之一粘合的射频 (RF) 谐振器监测由此产生的两个量子比特状态之间的电容差异。量子点中的电荷跃迁也会发生类似的色散偏移，这样反射信号有助于调整到所需的电子占据 [14–16]。色散读出的优势在于它不需要单独的电荷传感器，但即使在自旋衰减时间较长的系统中，电容灵敏度通常也不足以进行单次量子比特读出 [17–23]。最近，已经在基于双量子点的系统中展示了色散单次读出 [24–28]，但为了提高读出保真度，仍然需要更高的灵敏度。
在任意偏置点的持续电流基础上的通量量子比特读出
测量假设是量子力学的基础 [1]。要获得有关封闭系统量子态的信息，需要与额外的读出系统（仪表）相互作用。可以设计这种相互作用，使得测得的可观测量是读出过程中运动的积分。这称为量子非破坏（QND）测量。QND 测量使重复测量能够得到相同的结果，最初旨在超越与引力波探测相关的标准量子极限 [2-4]。随着量子信息的发展，人们对 QND 测量方法的兴趣与日俱增，它们在各个方面发挥着重要作用，例如，误差校正 [5] 或通过测量初始化 [6]。超导通量量子比特 [7] 对于量子退火领域 [8-15] 尤其令人感兴趣，其中电感耦合的内在可能性和相当大的非谐性带来了巨大优势。然而，对于通量量子比特，在持续电流基中 QND 测量仅在远离通量简并点的地方进行 [ 16 – 20 ]。在简并点处，作为测量变量的持续电流的期望值对于量子比特能量本征态为零。通过将量子比特横向耦合到谐振器，可以测量简并点处的能量本征基，从而测量量子电感 [ 21 – 24 ]，或者通过使用基于调制耦合的更复杂方案 [ 25 ]。在任意操作点的通量基中进行测量的能力在量子退火中尤其有趣。如果能够在退火过程中进行测量，而无需首先将量子比特远离简并点，那么将带来巨大的优势，例如，避免退火计划中的淬火，这会限制成功概率 [ 13 , 26 , 27 ]，或者仅通过随机相互作用实现量子加速 [ 28 ]。此外，
利用约瑟夫森参量放大实现硅量子点的快速门读出
硅量子器件中的自旋是大规模量子计算的有希望的候选对象。基于门的自旋量子比特传感提供了具有高保真度的紧凑且可扩展的读出，但是，需要进一步提高灵敏度以满足保真度阈值和实现纠错协议中的快速反馈所需的测量时间尺度。在这里，我们将 622 MHz 的射频门控传感与在 500 – 800 MHz 频段工作的约瑟夫森参数放大器相结合，以减少读取纳米线晶体管中形成的硅双量子点状态所需的积分时间。根据我们实现的信噪比，我们估计平均保真度为 99.7% 的单重态-三重态单次读出可以在 1 μ s 内完成，远低于容错读出的要求，比不使用约瑟夫森参数放大器快 30 倍。此外，约瑟夫森参数放大器允许在较低的射频功率下运行，同时保持相同的信噪比。我们确定噪声温度为 200 mK，其中约瑟夫森参量放大器（25%）、低温放大器（25%）和谐振器（50%）的贡献，显示出进一步提高读出速度的途径。
具有相干相位读出的高性能双峰瞬变场传感器
摘要 — 通过比较穿过传感臂和参考臂的光信号，干涉光子传感器使用简单的单波长激光源实现了显著的灵敏度和检测限。原则上，通过比较穿过单个传感波导的两种模式的传播，基于双模波导的传感器可以在不需要参考臂的情况下提供相同的优势。然而，双模传感器的典型实现面临两个挑战：(i) 传感器输入和输出处的突变模式激发和重组效率低下、功率不平衡且产生可能掩盖小传感信号的杂散反射，(ii) 输出信号的正弦性质可能导致读出模糊。这里我们提出了一种螺旋状双模折射率传感器，它具有全模式转换、多路复用和解复用以及相干相位检测，可提供具有紧凑而稳健布局的明确线性相位读出。我们的传感器设计为1550 nm 中心波长，在氮化硅平台上制造，并通过体传感实验验证，检测限达到 1. 67 · 10 −7 RIU。