--- title: "怎样用微波读出超导量子比特" description: "一束微弱微波穿过低温谐振腔，带走量子比特的信息。沿着电缆、放大器和两团电压信号，理解超导量子比特怎样被读出。" canonical_url: "https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/superconducting-qubit-readout/" language: "zh-CN" page_type: "story" alternate_languages: en: "https://sandboxphysics.com/stories/instruments/superconducting-qubit-readout/" last_modified: "2026-11-12" --- [物理仪器怎样测量](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/) 走进仪器 # 怎样用微波读出超导量子比特 超导量子比特会轻轻改变旁边谐振器偏爱的频率。把一束微弱微波送进去，出来的波便带上不同的幅度和相位。室温电子学把这些差别转成两路电压，许多次测量聚成两团信号，供我们判断量子比特处于哪一种状态。 Sandbox Physics · 2026-11-12 ## 先让邻居替它说话 量子比特的基态和激发态，是电路里两个不同的能量状态。直接拿仪表接上去，测量电路也会给它带来损耗。常用的办法是在旁边放一个谐振器：一段能储存微波、偏爱某个频率的超导电路。 量子比特与谐振器耦合，两者频率相隔较远时，仍会互相影响。量子比特处在不同状态，谐振器偏爱的频率稍有不同。这种远离共振、主要表现为频率改变的相互作用叫色散耦合。探测微波的频率固定，谐振器变了，透射波的强弱和起伏时刻便跟着改变。 来源：[3] [5] ## 信号下到低温，再回到室温 微波源在室温，芯片在制冷机底部，两者靠同轴电缆连接。电缆既传信号，也会把热噪声带向芯片。输入线上分布着衰减器，它们吸收一部分入射功率，并与各层冷平台接触散热。每一级还会发出与自身温度有关的噪声，安装位置与温度都很关键。 从谐振器出来的信号很弱，要先经过放大器再送回室温。输出线上还有隔离器，允许信号向外走，同时抑制放大器噪声向芯片倒灌。Bluefors在2021年的系统示例里，把这条输入、输出链与脉冲控制、混频器和数字采集接在一起，给出了完整接线图。 冷平台负责提供低温环境，量子比特的弛豫时间还要另测。电缆接触、器件损耗和环境噪声都会影响测量。平台温度与量子比特本身的状态，需要各自的测量依据。 来源：[1] [2] ## 两路电压记住波的起伏 相位描述波的起伏走到了一个周期的哪个位置。接收机把返回的微波与本振比较；本振是一束频率已知、充当时钟的参考波。两路混频器分别比较相差四分之一周期的参考，得到常说的I和Q。把这两路电压画在横轴和纵轴上，波的幅度与相位就对应平面上的一个位置。 数字采集卡把电压变成整数计数。接收机的两路增益可能不同，零点也可能偏移；先送入独立已知的参考信号，才能修正这些差别。挡住信号测到的空白，则告诉我们整条接收链有多吵。 来源：[1] [5] ## 一次读数为什么是一团点里的一个点 重复准备基态，再重复准备激发态，电压平面上会出现两团带宽度的点。每个点都来自一次有噪声的测量。接收机可以沿两团分开的方向积累信号，再设一条分界线；分得越远、每团越窄，越容易判断。 等待也有代价。微波刚到时，谐振腔里的场还在建立；等得太久，激发态可能已经衰变，返回信号便逐渐靠近基态。Walter等人在2017年研究快速单次读出时，正是把脉冲时序、谐振器响应和弛豫一起考虑，寻找合适的读出时间。 来源：[3] [4] ## 功率增大到哪里该停 更强的微波通常让两团信号更容易分开，但腔里光子太多时，低功率下的频移关系会失效。真实transmon还有更高的能级，它们也会影响频移。常用的临界光子数只给出粗略警示，工作范围还需要器件的独立表征。 来源：[5] ## 先固定分界线，再交给陌生信号 检验接收机时，可以用一批已知制备指令建立分界线，把它固定下来，再检查另一批信号。随后送来的未知信号，只凭记录下来的电压和这条分界线判断。这样才能看出同一套判断方法能否用于新数据。 制备指令说的是我们打算准备什么；实际准备可能出错，读出途中也可能衰变。相对于指令的判对率，反映了这段制备与测量过程的共同表现。要报告量子态保真度，还需要进一步分清这些误差。 来源：[4] [1] ## [跟随微波走完整条读出链](https://sandboxphysics.com/zh/labs/transmon-artificial-atom/?instrument=dispersive-readout) 改变探测功率和积分时间，比较两团信号与留出指令判对率。 模型计算双端口条件腔场、原始ADC电压与冻结分类器的盲判；弛豫时间独立给定。 ## 来源与延伸阅读 1. [Lake et al. (2021) — The Bluefors Dilution Refrigerator as an Integrated Quantum Measurement System](https://bluefors.com/wp-content/uploads/2021/06/Application-Note-Bluefors-Dilution-Refrigerator-as-an-Integrated-Quantum-Measurement-System.pdf) 核读印刷页1—5，并目检第4页图2：双端口腔透射、分布衰减、HEMT隔离、IQ混频、ADC与时序。网页工具未取到PDF，后直接下载出版方PDF；原装置参数只作背景。 2. [Krinner et al. (2018), arXiv:1806.07862v1 — Engineering cryogenic setups for 100-qubit scale superconducting circuit systems](https://arxiv.org/pdf/1806.07862v1) 核读印刷页2—7，重点为式1—3：锚定同轴线、导热、双边热电压谱密度与不含真空项的热光子衰减级联。平台温度不作量子态校准。 3. [Gambetta et al. (2007), arXiv:0709.4264v2 — Quantum trajectory approach to circuit QED](https://arxiv.org/pdf/0709.4264v2) 核读印刷页2—4：不对称双端口、式3.5条件相干振幅与指针态分离。教学模型传播条件经典场，弛豫另行给定，不求解随机量子主方程。 4. [Walter et al. (2017), arXiv:1701.06933 — Realizing Rapid, High-Fidelity, Single-Shot Dispersive Readout of Superconducting Qubits](https://arxiv.org/pdf/1701.06933) 核读第1—4页：装置与脉冲时序、单次正交采样、积分、弛豫与分类分布。文献号为1701.06933；不复现其性能或Purcell滤波器设计。 5. [Blais et al. (2020), arXiv:2005.12667v1 — Circuit Quantum Electrodynamics](https://arxiv.org/pdf/2005.12667v1) 核读印刷页15—16式40—44，以及25—32页图14、式114—115：多能级色散频移、态相关粗略临界光子数、IQ探测、量子及附加噪声、积分可分辨度。未通读82页综述。 [游标怎样读出毫米的零头](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/length-metrology/) [空气也会托住天平上的物体](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/precision-balance/) [Cavendish 怎样量出两个球的引力](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/cavendish-balance/) [液柱究竟在量哪一边的压强](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/manometer/) [杯子也在吸热，怎样量出样品的比热](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/calorimeter/) [旋转流变仪为什么要同时量转速和扭矩](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/rotational-rheometer/) [管口外的空气怎样改变共振](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/resonance-tube/) [地震仪怎样从机壳里的运动读出地面](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/seismometer/) [电表接上以后，电压为什么变了？](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/electrical-meters/) [检流计归零时，电阻怎样显出读数](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/resistance-bridges/) [电容为什么也会像电感](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/lcr-impedance/) [示波器上的慢波是怎样冒出来的](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/digital-oscilloscope/) [锁相放大器怎样找出埋在噪声里的信号](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/lock-in-amplifier/) [频谱里的小峰会从哪里来](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/spectrum-analyzer/) [网络分析仪怎样把电缆和器件分开](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/vector-network-analyzer/) [石英晶体慢了，怎样判断它是否变重了](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/quartz-microbalance/) [交叉色散怎样把重叠的谱阶铺开](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/echelle-spectrograph/) [只量总亮度，怎样分出许多颜色](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/ftir-spectrometer/) [用一束光量出溶液有多浓](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/uv-vis-spectrophotometer/) [椭偏仪怎样从反射光里读出薄膜厚度](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/spectroscopic-ellipsometer/) [偏振仪怎样看出样品把光混在了一起](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/mueller-polarimeter/) [一颗颗光子怎样告诉我们荧光寿命](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/tcspc-fluorescence-lifetime/) [布里渊显微镜怎样用光听见材料里的声波](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/brillouin-microscope/) [白色积分球怎样比较一盏灯的总输出](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/integrating-sphere-radiometer/) [粉末的圆环怎样显露原子间距](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/powder-xray-diffractometer/) [小角X射线散射怎样从光晕看颗粒](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/small-angle-xray-scattering/) [X 射线荧光为什么要看样品厚度](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/xray-fluorescence-spectrometer/) [原子力显微镜扫出的凸起为什么会变宽](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/atomic-force-microscope/) [小压痕怎样分开硬度与弹性](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/nanoindenter/) [差示扫描量热怎样读懂一个熔化峰](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/differential-scanning-calorimeter/) [热重分析怎样把失重与气体托力分开](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/thermogravimetric-analyzer/) [金刚石对顶砧怎样从红宝石的光读出压力](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/diamond-anvil-cell/) [金刚石怎样从荧光里读出磁场方向](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/nv-center-magnetometer/) [用光听见原子在磁场里的节奏](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/optically-pumped-magnetometer/) [让激光跟着原子走时](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/optical-lattice-clock/) [Kibble 天平怎样用两次实验测质量](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/kibble-balance/) [稀释制冷机怎样一直搬走极低温的热](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/dilution-refrigerator/) [泵很大，为什么样品旁边还抽不干净](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/ultra-high-vacuum-system/) [电流怎样在薄片两侧留下电压](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/four-probe-hall/) [离子跑一段路，怎样量出质荷比](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/time-of-flight-mass-spectrometer/) [四根直杆怎样筛选离子的质量](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/quadrupole-mass-filter/)