米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）物理测量标准研究部电磁测量研究组荒川智树研究组附件和今森太郎研究组组长在4 K至300 K（-269°C至27°C）的任何温度下高频分量的反射/透射特性（S 参数）
量子计算机系统包含众多高频组件，用于在低温量子芯片和室温之间传输高频信号。然而，它们中的大多数在低温环境下不具有保证的性能。在结合了许多高频元件的电路中，即使只有一个元件的意外故障也会阻碍量子计算机的大规模集成。因此，需要建立低温下高频元件的评估方法。该方法改进了现有的反射和透射特性测量方法，使得可以在4 K至300 K的任何温度下评估高频元件。通过该技术获得的温度依赖性信息对于高性能、高密度高频元件的开发过程至关重要，并将有助于量子相关技术的发展。未来，该技术将被引入全球量子与人工智能融合技术业务发展研究中心的量子硬件测试平台，并计划开始为业界提供测量服务。
该技术的详细信息将于 2023 年 9 月 14 日公布。IEEE 仪器和测量汇刊”。
世界各地正在开发量子计算机并进行计算量子位数量的增加引起了人们的关注。另一方面，当观察构成量子计算机的系统时，用于控制它们的高频组件的数量与量子位的数量成比例地增加。这些设备需要先进的功能来传输高频信号，以在极低的温度和室温下控制量子芯片之间的量子比特。然而，目前使用的许多高频元件在实际使用的低温环境下并不能保证其性能。
此外，为了实现实用化所需的100万量子位级量子计算机，还存在大量高频部件的小型化和抑制发热等挑战。为了应对量子比特数量的增加，同时避免低温高频电路的发热问题，需要开发具有前所未有的高性能和密度的高频低温元件。对于单个低温高频元件，需要一种方法来评估工作温度下的反射和传输特性（S 参数）。当组装大量具有不同反射和传输特性的高频元件时，为了整体实现所需的反射和传输特性，特性评估至关重要。
然而，传统的反射和透射特性测量在测量温度和组件连接方法方面存在局限性，因此不足以作为构建量子计算机供应链所需的通用评估方法。一旦评估方法确立，随着新公司的进入，低温高频元件的市场预计将扩大。此外，通过定量区分高频元件的低温特性，我们可以期待创造新的附加值并振兴市场。
AIST 开发了用于高频段器件评估和材料评估的测量技术，并向业界提供了各种测量解决方案，旨在推进下一代无线通信技术和量子相关技术。作为这项工作的一部分，我们专注于低温环境下的高频测量，并致力于开发在任何温度下测量基本反射和传输特性的技术。
这项研究和开发得到了科学研究补助金 (JSPS KAKENHI)“使用圆偏振微波的二维电子系统复杂电导率测量方法的开发和应用”(2022-2024)”(JP22H01964) 和“自旋波自旋电流极性控制和器件应用”的支持（2022-2024）”（JP22H01936）。
通过使用独特开发的定制冰箱和机械高频开关，我们校准了冰箱内部高频信号的幅度和相位，并能够在 4 K 至 300 K 的宽温度范围内测量高达 265 GHz 的两个端口的反射和传输特性。
使用通用网络分析仪测量反射和传输特性时，首先使用具有已知特性的标准校准高频信号的幅度和相位。这样可以消除同轴电缆等测量目标以外的物体的影响。然后，连接要测量的高频元件并仅评估其特性。已经建立了室温下高频校准的方法，并且反射和传输特性被列在数据表中作为高频元件性能的指标。然而，对于量子计算机中使用的低温高频部件，目前还没有确定的方法来测量它们在实际使用温度下的反射和透射特性。
因此，为了为大规模量子计算机的供应链建设做出贡献，我们开发了一种通用测量方法，用于测量各种高频组件在最高4 K的任何温度下的反射和传输特性。
图 1 显示了测量系统的概念图。这款定制冰箱的一个特点是它有一个温度控制阶段，可以使用机械热开关将温度控制在 4 K 到 300 K 之间。所有高频校准和测量均在此温度控制阶段进行。将待测高频分量的各端子连接至高频开关。该设备被设计为能够测量不同尺寸和端子排列，并且兼容各种形状和尺寸的高频元件。
图1 测量系统的概念图（左图）和温度控制台上的设置（右图）
*这是对原始论文中的数字的引用或修改。
放置在室温部分的网络分析仪的两个端口分别连接到温度控制台上的高频开关（图1左）。用于高频校准SOLT 校准的二端口校准方法。在该方法中，使用高频开关（1个输入，6个输出）来连接三种类型的标准设备（短路、开路、负载）和任意传输路径（此处为闪过或同轴电缆）进行切换和测量，并进行校准（图1右）。与测量对象的连接使用IEEE（电气电子工程师协会）标准规定的精密连接器（35mm连接器）。此外，为了增加多功能性，待测连接器可以容纳插头和插孔端子。
与典型的室温高频校准相比，该方法具有额外的误差源，例如标准的温度依赖性和高频开关的路径到路径变化。为了检查这些误差的影响，在执行 SOLT 校准后，我们将闪穿测量作为具有已知特性且与温度无关的测量目标。图 2 左侧显示了在多个温度下测得的闪穿传输特性。与理想的传输损耗值0 dB相比，系统误差高达012 dB，这主要是由于高频开关的路径间变化造成的。另一方面，我们能够将标准中由温度变化引起的相对误差抑制到最大004 dB。特别是，在 10 GHz 时，由于温度变化而导致的传输损耗误差约为 001 dB，延迟时间在 4 K 至 300 K 范围内的误差约为 005 皮秒。
此外，我们验证了每个标准的温度依赖性，并使用该校准方法定量评估了反射和透射特性的测量精度。图 2 中的右图显示了同轴电缆在不同温度下的传输特性（在 4 K 和 20 K 下，观察到几乎相同的行为）。与闪穿结果（图 2 左）的比较表明，此处观察到的传输损耗变化并非测量误差。尽管图中未显示，但我们在反射测量中能够在 10 GHz 下实现超过 30 dB 的灵敏度。通过分析测得的反射和传输特性，还可以评估表征高频信号传输随温度变化的参数。图 3 显示了通过实时分析获得的脉冲信号的传输损耗和延迟时间的温度依赖性。结果发现，这些值随着温度的降低而缓慢增加，但在 20 K 以下几乎保持恒定。
图2 齐平传输特性结果（左图）和同轴电缆传输特性结果（右图）
*这是对原始论文中的数字的引用或修改。
图3实时分析获得的脉冲信号的同轴电缆传输损耗（左图）和延迟时间（右图）的温度依赖性
*原始论文中的数字被引用或修改。
由于介电常数、磁导率和电阻率等材料参数表现出不同的温度依赖性，因此在低温元件的开发中，识别温度变化的根源并向电路设计提供反馈非常重要。因此，如图4左图所示，它受到多个材料参数的影响循环器。图 4 中的右图显示了端口 1 和端口 2 之间的双向传输损耗。我们得到的结果是，传输损耗作为频率的函数强烈依赖于温度。
AIST 将通过将通过此方法获得的信息应用于低温组件的开发过程，为量子计算机的开发做出贡献。我们相信，这种方法还可以为需要低温、高频测量的射电天文学和凝聚态物理的发展做出贡献。
图 4 测量环行器（左图）和传输特性结果（右图）的设置
*这是对原始论文中的数字的引用或修改。
此方法将在量子与 AI 融合技术业务发展全球研究中心的量子硬件测试台中实施，该中心计划开始向行业提供测量服务。
未来，我们将与研发和制造高频元件的公司、研究机构和组织合作，为量子计算机的大规模集成做出贡献。基于该方法，我们将开发测量4K至300K材料参数、评估扁平电缆等的测量技术，致力于为行业提供新的测量解决方案。
通过上述活动，我们认为有必要在行业内推广低温反射和透射特性的测量方法，并使其在国际上标准化。
已出版的杂志：IEEE 仪器和测量汇刊
论文标题：高达 265 GHz 的校准 2 端口微波测量，适用于 4 K 至 300 K 的宽温度范围
作者：荒川智德和今清太郎
DOI：101109/TIM20233315393