量子计算机需要数百万量子比特(qubit)才能充分发挥潜力，然而目前仅有数百量子比特的规模。另一方面，通往量子计算机扩展升级的道路也并不仅仅由量子比特技术发展而铺就的。事实上，运作于后台的数字模拟转换器(DAC)和模拟数字转换器(ADC)也扮演着至关重要的作用。因此，随着量子计算机日益复杂，这些模拟组件变得越来越重要。eCJednc
DAC在量子控制方面至关重要。它们用于将数字控制信号转换成模拟的电压、光或微波脉冲，以便控制量子比特和创建量子门。DAC技术的进步带来了更快的速度和更高的准确度，从而能够更快速、更精确地控制量子运作。eCJednc
由于这些DAC允许使用复杂的脉冲序列和控制算法，从而提高了门的可靠性和量子算法性能。量子门是在量子比特上执行的基本操作，通过精心设计的控制信号来实现。每个量子比特通常需要2到5个DAC。eCJednc
这一类DAC通常需要具备以下条件：eCJednc
- 更高的分辨率和速度：为了准确操纵量子比特状态，需要具有高分辨率(8-12位)的DAC，以准确表示复杂的控制信号和快速沉淀时间(几纳秒或更快)，确保让信号失真降至最低。随着现代技术的发展，量子计算机的DAC采样率正从每秒数十兆采样(MSPS)提高到每秒数百兆采样(MSPS)或甚至更高。
- 低噪声：DAC引入的任何噪声都可能导致控制信号出错，从而影响量子计算的保真度。
ADC在量子控制方面也至关重要。它们用于将测量量子比特的模拟信号转换为可由标准控制系统处理的数字数据。目前已经开发出先进的高分辨率转换器，能够以最小的噪声和失真更精确地捕捉量子信号。eCJednc
这些ADC还能准确测量量子态，为量子系统的纠错和实时控制提供必要的反馈。执行量子计算后，必须读取量子比特状态，这包括监测由ADC转换成数字形式的微弱信号。每个量子比特需要1到3个ADC，具体取决于实现方式。eCJednc
这些ADC需要具备以下条件：eCJednc
- 高灵敏度和动态范围：ADC必须具有高灵敏度，才能捕捉到来自量子比特的微弱信号，并涵盖较宽的动态范围，以便能够处理全部比特值。通常，这些控制信号的分辨率应该在5到12比特之间。
- 高速：具备快速采样率的ADC是高效率读取数据所必需的，以便捕捉量子比特状态的快速变化。如同DAC一样，量子计算机的ADC采样率正从每秒百万次采样提高到每秒数百次采样或甚至更高。
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图1：高分辨率ADC能精确地捕捉量子信号，并将噪声和失真降至最低。(来源：Agile Analog)eCJednc
DAC和ADC集成挑战
将高性能DAC和ADC集成于量子计算系统也面临一些挑战：eCJednc
- 微型化：随着量子比特数量的增加，对于紧凑型可扩展DAC和ADC的需求也在增加。例如，如果每个量子比特需要5个DAC和3个ADC，当你需要1000个量子比特时，那么就需要8000个转换器。因此，100万个量子比特需要800万个转换器。
- 集成：这些转换器与量子比特控制和读取电子设备的无缝集成，对于系统的高效运行至关重要。
- 功耗：保持低功耗对量子计算机的整体能效至关重要。以8000或800万个转换器为例，如果这些转换器的功耗都是1 mW，那么总功耗就是8W或8000W。这些都会产生大量热量，而现代低温恒温器的内部耗散只能维持在2～5W之间。
目前面临的主要挑战是缩减面积、提高集成度、降低功耗，同时还要保持控制和测量量子比特所需的数据转换器性能。eCJednc
外部控制电子组件
控制电子组件与量子系统连接，才能实现精确控制和测量。目前，大多数量子计算机的控制电路，包括DAC和ADC，都安装在量子比特所在的超低温室(低温恒温器)外部。这种方法虽然适用于小规模系统，但在扩展到数千或甚至数百万量子比特时却遇到了瓶颈。问题包括：eCJednc
- 物理限制：可控制的量子比特数受限于低温恒温器的物理限制。随着量子比特数量的增加，为每个量子比特(包括用于DAC和ADC的电缆)铺设大量控制电缆将会变得不切实际。
- 信号衰减：较长的控制电缆将会造成信号衰减和噪声，从而导致量子比特控制和读取错误。随着电缆长度的增加，这些错误发生的可能性也会增加，从而影响量子计算的保真度。
- 更高复杂度：在低温恒温器之外管理和布线众多控制电缆会增加系统的复杂度，因而变得更难以维护和扩展。
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图2：低温恒温器内部的控制电路解决了可扩展的问题。(来源：SureCore)eCJednc
在低温恒温器内集成控制电子组件的优势
在低温恒温器内直接集成控制电子组件，特别是DAC和ADC，为解决可扩展性难题提供了一种潜在的解决方案。这有助于为建造更大、更强大的量子计算机铺平道路。eCJednc
低温恒温器内集成控制电子组件有以下几个好处：eCJednc
- 提高可扩展性：有了芯片模拟控制电子组件，可控制的量子比特数就不再受限于低温恒温器馈入的数量。这样就能构建更大、更复杂的量子电路。数字控制电路可以集成在低温恒温器内，或者由于数字信号固有的抗噪性，保留在低温恒温器外。
- 减少信号衰减：借由将DAC和ADC放在离量子比特更近的位置，信号损耗和噪声可降至最低，从而提高控制和读取保真度。
- 简化系统设计：将模拟控制电子组件集成在低温恒温器内可降低系统的复杂度，从而使其更易于管理和维护。
在低温恒温器集成控制电子组件的挑战
虽然在低温恒温器内集成DAC和ADC有很多好处，但也存在一些挑战：eCJednc
- 恶劣的低温环境：为室温操作而设计的DAC和ADC需要进行调整，以便在低温(通常为4 K左右)环境下可靠运行，这需要专用的电路设计技术。虽然半导体的工作温度通常为-40℃至125℃，但在这种低温条件下进行设计需要新的模型。此外，还必须对代工厂提供的基础晶体管进行改动，以便在这些低温条件下实现最佳性能。
- 空间有限：要在量子比特附近的有限空间内集成大量DAC和ADC，就必须采用微型化和高密度封装解决方案。
- 功耗：低温恒温器内的散热管理至关重要。为了避免影响系统的热稳定性，低功耗DAC和ADC至关重要。
加速未来量子计算机扩展
随着量子计算机的不断发展，对高保真、低噪声和高速模拟组件的需求只会变得更加重要。因此，Agile Analog正在探索一系列低温DAC和ADC的机会。其设计团队正与超低功耗嵌入式内存专家sureCore合作开发低温控制ASIC计划，并经由该计划及其挑战中得到了一些相关经验，该计划同时也是英国创新基金资助项目的一部分。eCJednc
这些设计工作清楚地表明，DAC和ADC将在量子计算机的扩展过程中发挥关键作用，并将有助于加速量子计算机朝向更复杂的实际应用发展。eCJednc
(原文刊登于EDN姊妹网站Planet Analog，参考链接：Why DACs and ADCs are crucial in scaling up quantum computers，由Susan Hong编译)eCJednc
责编：Ricardo
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