一種用于量子芯片自動化標定的微波開關裝置

盧保軍， 楊 暉， 欒 添

（量子科技長三角產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心， 江蘇 蘇州 215000）

0 引 言

超導量子芯片是超導量子計算機的核心部件[1-3]，通常由在襯底上形成的讀取腔、諧振器、約瑟夫森結(jié)以及微波線路組成[4-7]。為了對量子比特進行快速、高保真度讀取，一般使用色散位移的讀取方式，即針對一般數(shù)目的量子比特所組成的量子比特區(qū)域，使用兩路讀取傳輸線，通過與該區(qū)域內(nèi)的讀取諧振腔耦合，完成多個量子比特的同時讀取[8-9]。在現(xiàn)有技術方案中，一片超導量子芯片的自動化測試，需要根據(jù)芯片中量子比特區(qū)域的數(shù)目準備相應數(shù)量的矢量網(wǎng)絡分析儀和室溫測控一體機，這不利于測控系統(tǒng)的小型化發(fā)展[10-11]?；诖耍疚脑O計一種可用于量子芯片自動化標定的微波開關裝置，能夠在無人為切換線路的情況下，僅使用一臺矢量網(wǎng)絡分析儀和一臺室溫測控一體機，實現(xiàn)對超導量子芯片指定量子比特區(qū)域的自動化讀取。

1 微波開關裝置硬件設計

本文所設計的量子芯片自動化標定系統(tǒng)由一臺矢量網(wǎng)絡分析儀、一臺室溫測控一體機、超導量子芯片以及微波開關裝置組成，其中超導量子芯片放置于超導量子計算機低溫系統(tǒng)中，如圖1 所示。微波開關裝置采用“開關+功分”的架構(gòu)。矢量網(wǎng)絡分析儀和室溫測控一體機的測控信號由發(fā)射通道的功分器芯片送入發(fā)射通道的微波開關芯片，根據(jù)上位機下發(fā)的參數(shù)選通指定射頻通道，將測控信號傳輸至超導量子芯片。同理，根據(jù)上位機下發(fā)參數(shù)選通指定接收射頻通道，將讀取線路的回波信號經(jīng)微波開關芯片和功分器芯片分別送至矢量網(wǎng)絡分析儀和室溫測控一體機，從而完成讀取線路自動化切換的整個流程。微波開關裝置由射頻模塊、控制以及電源三部分組成，其中射頻模塊完成信號復用以及通道切換功能；控制部分用于接收上位機下發(fā)的參數(shù)并將其轉(zhuǎn)換為微波開關的控制電平；電源部分為控制板提供所需的電平值。

圖1 量子芯片自動化標定系統(tǒng)示意圖

1.1 射頻模塊硬件設計

設計中采用的微波開關芯片為HMC344ALP3E，其在4～8 GHz 頻帶范圍內(nèi)的帶內(nèi)插損≤2.2 dB，帶內(nèi)平坦度≤±0.3 dB，通道間也表現(xiàn)出較好的一致性。根據(jù)指標需求，功分器芯片為EP2C+，其在4～8 GHz 頻帶范圍內(nèi)的帶內(nèi)插損≤3.8 dB，帶內(nèi)平坦度≤±0.12 dB，幅度一致性≤0.05 dB。射頻模塊電路原理圖（RF_PD_SW）見圖2。

圖2 射頻模塊電路原理圖（RF_PD_SW）

1.2 波控模塊硬件設計

考慮到與量子芯片自動化標定系統(tǒng)的兼容性，本文設計采用以太網(wǎng)通信技術實現(xiàn)上位機與微波開關裝置之間的通信。與串口通信相比，以太網(wǎng)通信具有通信速率高、配置靈活、支持熱插拔、維護方便以及高擴展性等優(yōu)點，已被廣泛應用于各行各業(yè)[12-16]。鑒于此，本文選用STM32F407ZET6 單片機作為主控芯片，其自帶以太網(wǎng)模塊，該模塊包括帶專用DMA 控制器的MAC802.3（介質(zhì)訪問控制）控制器，支持介質(zhì)獨立接口（MII）和簡化介質(zhì)獨立接口（RMII），并自帶了一個用于外部PHY 通信的SMI 接口，通過一組配置寄存器，用戶可以為MAC 控制器和DMA 控制器選擇所需模式和功能。相應以太網(wǎng)PHY 芯片選用LAN8720A，其支持通過RMII 接口與以太網(wǎng)MAC 層通信，內(nèi)置10-BASE-T/100BASE-TX 全雙工傳輸模塊，通信速率支持10 Mb/s 和100 Mb/s。波控模塊電路原理框圖如圖3 所示，其中MADR-009190 為開關驅(qū)動芯片，SN74LVC8T245 為電平轉(zhuǎn)換芯片，HR911105A 為網(wǎng)口連接器。

圖3 波控模塊電路原理框圖

1.3 電源模塊硬件設計

根據(jù)表1 所列的各芯片所需電平設計電源模塊。電源適配器將市電AC 220 V 轉(zhuǎn)換為DC 12 V 電平，電源管理芯片使用MP2359DJ-LF-Z、AMS1117-3.3 和TPS63710，分別完成12 V 至5 V、5 V 至3.3 V 以及12 V至-5 V 之間的電平轉(zhuǎn)換。電源模塊電路原理圖如圖4 所示。

表1 微波開關裝置電源需求表

圖4 電源模塊電路原理圖

2 微波開關裝置軟件設計

微波開關裝置的軟件流程圖如圖5 所示，初始化流程包括：初始化STM32F4 的以太網(wǎng)外設，初始化LAN8720A 以及分配內(nèi)存等。對于有路由器的實驗平臺，直接用網(wǎng)線將微波開關裝置連接至路由器，同時上位機也連接路由器，即可完成計算機與微波開關裝置的連接設置。對于沒有路由器的實驗平臺，則直接將微波開關裝置和上位機用網(wǎng)線連接即可。配置好IP 地址后，微波開關裝置將根據(jù)上位機中網(wǎng)絡調(diào)試助手所下發(fā)的參數(shù)選通相應的射頻通道，完成量子測控平臺的自動切換。

圖5 微波開關裝置的軟件流程

3 測試結(jié)果及性能分析

微波開關裝置研制完成后，使用矢量網(wǎng)絡分析儀（中電41 所3656D，300 kHz～20 GHz）對4～8 GHz 頻帶范圍內(nèi)的性能進行測試，現(xiàn)場測試圖如圖6 所示。插入損耗指標如圖7 所示，可以看到TXCOM1 通道在4～8 GHz時插損均在5.75～7.5 dB；TXCOM2 通道在4～8 GHz 時插損均在5.75～7.5 dB；RXCOM1 通道在4～8 GHz時插損均在6～7.7 dB；RXCOM2 通道在4～8 GHz 時插損均在6～8.1 dB。分析數(shù)據(jù)可得出：接收鏈路插損略大于發(fā)射鏈路插損，這主要是因為芯片的差異性以及焊接的差異性。

圖6 微波開關裝置現(xiàn)場測試圖

圖7 插損測試結(jié)果

圖8所示為通道一致性測試結(jié)果，可以看到：TXCOM1通道在4～8 GHz 范圍內(nèi)的通道一致性為±0.3 dB；TXCOM2通道在4～8 GHz范圍內(nèi)的通道一致性為±0.31 dB；RXCOM1 通道在4～8 GHz 范圍內(nèi)的通道一致性為±0.4 dB；RXCOM2 通道在4～8 GHz 范圍內(nèi)的通道一致性為±0.5 dB。綜上，所設計開關矩陣模塊的通道一致性均在±0.5 dB 范圍內(nèi)。

圖8 通道一致性測試結(jié)果

通道間隔離度測試結(jié)果如圖9 所示，可以看到：TXCOM1 通道在4～8 GHz 范圍內(nèi)的通道間隔離度≥18 dB；TXCOM2 通道在4～8 GHz 范圍內(nèi)的通道間隔離度≥17.4 dB；RXCOM1 通道在4～8 GHz 范圍內(nèi)的通道間隔離度≥18.2 dB；RXCOM2 通道在4～8 GHz 范圍內(nèi)的通道間隔離度≥18.3 dB。綜上，所設計開關矩陣模塊能夠滿足通道間隔離度的指標要求。

圖9 通道間隔離度測試結(jié)果

4 結(jié) 語

本文提出一種用于量子芯片自動化標定的微波開關裝置，其采用“開關+功分”的架構(gòu)，可根據(jù)上位機下發(fā)的參數(shù)選通射頻通道，進而在僅使用一臺矢量網(wǎng)絡分析儀和一臺室溫測控一體機的情況下，實現(xiàn)讀取線路的自動化切換。實測結(jié)果表明，所設計微波開關裝置在4～8 GHz 頻帶范圍的插入損耗≤8 dB，幅度一致性≤±1 dB，通道一致性≤±0.5 dB，通道間隔離度≥15 dB，能夠滿足量子芯片自動化標定系統(tǒng)的使用需求。