IEEE 应用超导汇刊，第一卷。35，没有。2025 年 8 月 5 日 1500305
使用动感行波参量放大器对多量子位读出的可测
量改进
M.A.Castellanos -Be ltran、 L.Howe、A.Giac hero、M.R.Vissers、
D.LaBranca、J.N.Ullom 和 P.F.Hopkins，IEEE 高级会员
摘要-增加量子信息系统的大小和复杂性需要高度复用的读出
架构，以及在附加噪声的量子极限（ QL）附近工作的放大器
链。虽然先前在量子系统中 KI-TWPA 集成方面的努力很少，但在
这项工作中，我们展示了 KI-TWPA 与多路复用量子位器件的集
成。为了量化系统噪声改善，我们执行 ac Stark shift 校准，
以精确确定片上（在每个腔的参考平面处）的噪声功率电平和
总系统增益。然后，我们表征了量子比特状态测量保真度和相
应的信噪比（SNR）。为了对 KI-TWPA 提供的优势进行最忠实的
测量，我们对读出链执行这些测量，其中高电子迁移率晶体管
（HEMT）放大器是第一级放大器（FSA），不需要操作 KI-TWPA
所需的任何外部硬件，并且 KI-TWPA 作为 FSA。虽然一些读出腔
落在 KI-TWPA 带宽之外，但对于那些在带宽内的读出腔，我们证
明了状态测量 SNR 的最大改进为 1.45 倍，并将保真度从 96.2%
提高到 97.8%。这些测量表明，系统噪声低于 5 量子参考片上，
并且我们将 KI-TWPA 过量噪声限制在其带宽内的六个腔的 4 量子
以下。这些结果显示了一条充满希望的前进道路
2024 年 9 月 25 日收到；2024 年 12 月 19 日修订；已接受 21 De-
2024 年 12 月。出版日期 2025 年 1 月 2 日；当前版本日期 2025 年 1 月 16
日 。 这 项 工 作 部 分 得 到 了 美 国 国 家 航 空 航 天 局 (NASA) 拨 款
NNH18ZDA001N-APRA 的支持，部分得到了能源部(DOE)加速器和探测器研
究计划拨款 89243020SSC000058 和 DARTWARS a 项目的支持，部分得到了
欧盟 H2020-MSCA 拨款 101027746 的支持，部分得到了意大利国家量子科
学技术研究所通过 PNRR MUR 项目拨款 PE0000023-NQSTI 的支持。（通讯
作者：A.Giachero。）
米（meter 的缩写））A.Castellanos-Beltran 和 P.F.Hopkins 在美国
科罗拉多州博尔德市国家标准与技术研究所射频技术部工作，邮编
80305。
长度 Howe 和 J.N.Ullom 就职于美国科罗拉多州博尔德市国家标准与技
术研究所量子传感器部，邮编 80305，美国科罗拉多州博尔德市科罗拉
多大学物理系，邮编 80309。
A.Giachero 就职于美国科罗拉多州博尔德市国家标准与技术研究所量
子传感器部，邮编 80305，还就职于美国科罗拉多州博尔德市科罗拉多
大学物理系，邮编 80309，以及意大利米兰比可卡大学物理系，邮编
20126（电子邮件：andrea.giachero@colorado.edu）。
米（meter 的缩写））R.Vissers 就职于美国科罗拉多州博尔德市国家
标准与技术研究所量子传感器部，邮编 80305。
D.LaBranca 在美国科罗拉多州博尔德市国家标准与技术研究所射频技
术部工作，邮编 80305，还在意大利米兰比可卡大学物理系工作，邮编
20126。
本文中一个或多个数字的彩色版本可在 https://doi.org/10.1109/
TASC.2024.3525451 获得。
数字对象标识符 10.1109/TASC.2024.3525451
用于使用单个参量放大器在大型量子位系统中实现量子受限读出
链。
索引术语-动电感、多量子位、噪声、量子极限、量子计算、
行波参量放大器。
I.导言
超导参量放大器是精确读出量子位的关键部件[1]。
为了实现快速、高保真读出[2]、[3]，最重要的是在不引
入过多噪声的情况下放大微弱信号，即第一级放大器
（FSA）必须非常接近附加噪声的量子极限（QL）【4】。
约瑟夫森参量放大器（JPA）[5]、[6]因其低噪声性能
[7]、[8]而成为主流解决方案。然而，随着超导量子位的
数量增加了对同时读出的需求【9】，【10】，大量设备
严重阻碍了使用 JPAs 的可行缩放。值得注意的是，JPA 是
非常窄带的，这些基于约瑟夫森结的放大器通常具有低于
100 dBm 的输入动态范围[11]、[12]。可以实施阻抗变压
器和放大的并行分布来适度增加带宽和动态范围，然而，
这是以显著增加复杂性为代价的【13】。实现宽带、量子
受限读出的另一种技术是行波参量放大器（TWPA）[14]。
超导 TWPAs 利用嵌入长传输线（TL）中的电感元件的非线
性，以最小的附加噪声放大微弱的微波信号【15】。基于
约瑟夫森结[16]的 TWPAs（JTWPAs）是多路复用的潜在解
决方案
量子位读出。
另一种解决方案是基于无序材料中运动电感非线性的
TWPA【17】，【18】（KI-TWPAs）。尽管存在量子位读出
的原理证明【19】，但 KI-TWPAs 并没有像基于约瑟夫森
结的参量放大器那样享有广泛的集成。相对于 JPAs 和
JTWPAs，这与 KI-TWPAs 最吸引人的特征相反：它们制造
更简单[20]，并且可以提供更高数量级的动态范围[21]，
[22]。此外，它们已经证明了在 3 GHz 带宽上的功率增益
高于 15 dB【23】，【24】，它们可以在更高的温度下工
作【25】，并且对高磁场有弹性【26】，
[27]-减少所需的屏蔽量。
1051-8223©2025 年 IEEE。保留所有权利，包括文本和数据挖掘以及人工智能和类似技术培训的权利。
允许个人使用，但再版/再分发需要 IEEE 许可。有关更多信息，请参见 https://www.ieee.org/publications/rights/index.html。
