一种用于量子芯片自动化标定的微波开关装置

卢保军， 杨 晖， 栾 添

（量子科技长三角产业创新中心， 江苏 苏州 215000）

0 引 言

超导量子芯片是超导量子计算机的核心部件[1-3]，通常由在衬底上形成的读取腔、谐振器、约瑟夫森结以及微波线路组成[4-7]。为了对量子比特进行快速、高保真度读取，一般使用色散位移的读取方式，即针对一般数目的量子比特所组成的量子比特区域，使用两路读取传输线，通过与该区域内的读取谐振腔耦合，完成多个量子比特的同时读取[8-9]。在现有技术方案中，一片超导量子芯片的自动化测试，需要根据芯片中量子比特区域的数目准备相应数量的矢量网络分析仪和室温测控一体机，这不利于测控系统的小型化发展[10-11]。基于此，本文设计一种可用于量子芯片自动化标定的微波开关装置，能够在无人为切换线路的情况下，仅使用一台矢量网络分析仪和一台室温测控一体机，实现对超导量子芯片指定量子比特区域的自动化读取。

1 微波开关装置硬件设计

本文所设计的量子芯片自动化标定系统由一台矢量网络分析仪、一台室温测控一体机、超导量子芯片以及微波开关装置组成，其中超导量子芯片放置于超导量子计算机低温系统中，如图1 所示。微波开关装置采用“开关+功分”的架构。矢量网络分析仪和室温测控一体机的测控信号由发射通道的功分器芯片送入发射通道的微波开关芯片，根据上位机下发的参数选通指定射频通道，将测控信号传输至超导量子芯片。同理，根据上位机下发参数选通指定接收射频通道，将读取线路的回波信号经微波开关芯片和功分器芯片分别送至矢量网络分析仪和室温测控一体机，从而完成读取线路自动化切换的整个流程。微波开关装置由射频模块、控制以及电源三部分组成，其中射频模块完成信号复用以及通道切换功能；控制部分用于接收上位机下发的参数并将其转换为微波开关的控制电平；电源部分为控制板提供所需的电平值。

图1 量子芯片自动化标定系统示意图

1.1 射频模块硬件设计

设计中采用的微波开关芯片为HMC344ALP3E，其在4～8 GHz 频带范围内的带内插损≤2.2 dB，带内平坦度≤±0.3 dB，通道间也表现出较好的一致性。根据指标需求，功分器芯片为EP2C+，其在4～8 GHz 频带范围内的带内插损≤3.8 dB，带内平坦度≤±0.12 dB，幅度一致性≤0.05 dB。射频模块电路原理图（RF_PD_SW）见图2。

图2 射频模块电路原理图（RF_PD_SW）

1.2 波控模块硬件设计

考虑到与量子芯片自动化标定系统的兼容性，本文设计采用以太网通信技术实现上位机与微波开关装置之间的通信。与串口通信相比，以太网通信具有通信速率高、配置灵活、支持热插拔、维护方便以及高扩展性等优点，已被广泛应用于各行各业[12-16]。鉴于此，本文选用STM32F407ZET6 单片机作为主控芯片，其自带以太网模块，该模块包括带专用DMA 控制器的MAC802.3（介质访问控制）控制器，支持介质独立接口（MII）和简化介质独立接口（RMII），并自带了一个用于外部PHY 通信的SMI 接口，通过一组配置寄存器，用户可以为MAC 控制器和DMA 控制器选择所需模式和功能。相应以太网PHY 芯片选用LAN8720A，其支持通过RMII 接口与以太网MAC 层通信，内置10-BASE-T/100BASE-TX 全双工传输模块，通信速率支持10 Mb/s 和100 Mb/s。波控模块电路原理框图如图3 所示，其中MADR-009190 为开关驱动芯片，SN74LVC8T245 为电平转换芯片，HR911105A 为网口连接器。

图3 波控模块电路原理框图

1.3 电源模块硬件设计

根据表1 所列的各芯片所需电平设计电源模块。电源适配器将市电AC 220 V 转换为DC 12 V 电平，电源管理芯片使用MP2359DJ-LF-Z、AMS1117-3.3 和TPS63710，分别完成12 V 至5 V、5 V 至3.3 V 以及12 V至-5 V 之间的电平转换。电源模块电路原理图如图4 所示。

表1 微波开关装置电源需求表

图4 电源模块电路原理图

2 微波开关装置软件设计

微波开关装置的软件流程图如图5 所示，初始化流程包括：初始化STM32F4 的以太网外设，初始化LAN8720A 以及分配内存等。对于有路由器的实验平台，直接用网线将微波开关装置连接至路由器，同时上位机也连接路由器，即可完成计算机与微波开关装置的连接设置。对于没有路由器的实验平台，则直接将微波开关装置和上位机用网线连接即可。配置好IP 地址后，微波开关装置将根据上位机中网络调试助手所下发的参数选通相应的射频通道，完成量子测控平台的自动切换。

图5 微波开关装置的软件流程

3 测试结果及性能分析

微波开关装置研制完成后，使用矢量网络分析仪（中电41 所3656D，300 kHz～20 GHz）对4～8 GHz 频带范围内的性能进行测试，现场测试图如图6 所示。插入损耗指标如图7 所示，可以看到TXCOM1 通道在4～8 GHz时插损均在5.75～7.5 dB；TXCOM2 通道在4～8 GHz 时插损均在5.75～7.5 dB；RXCOM1 通道在4～8 GHz时插损均在6～7.7 dB；RXCOM2 通道在4～8 GHz 时插损均在6～8.1 dB。分析数据可得出：接收链路插损略大于发射链路插损，这主要是因为芯片的差异性以及焊接的差异性。

图6 微波开关装置现场测试图

图7 插损测试结果

图8所示为通道一致性测试结果，可以看到：TXCOM1通道在4～8 GHz 范围内的通道一致性为±0.3 dB；TXCOM2通道在4～8 GHz范围内的通道一致性为±0.31 dB；RXCOM1 通道在4～8 GHz 范围内的通道一致性为±0.4 dB；RXCOM2 通道在4～8 GHz 范围内的通道一致性为±0.5 dB。综上，所设计开关矩阵模块的通道一致性均在±0.5 dB 范围内。

图8 通道一致性测试结果

通道间隔离度测试结果如图9 所示，可以看到：TXCOM1 通道在4～8 GHz 范围内的通道间隔离度≥18 dB；TXCOM2 通道在4～8 GHz 范围内的通道间隔离度≥17.4 dB；RXCOM1 通道在4～8 GHz 范围内的通道间隔离度≥18.2 dB；RXCOM2 通道在4～8 GHz 范围内的通道间隔离度≥18.3 dB。综上，所设计开关矩阵模块能够满足通道间隔离度的指标要求。

图9 通道间隔离度测试结果

4 结 语

本文提出一种用于量子芯片自动化标定的微波开关装置，其采用“开关+功分”的架构，可根据上位机下发的参数选通射频通道，进而在仅使用一台矢量网络分析仪和一台室温测控一体机的情况下，实现读取线路的自动化切换。实测结果表明，所设计微波开关装置在4～8 GHz 频带范围的插入损耗≤8 dB，幅度一致性≤±1 dB，通道一致性≤±0.5 dB，通道间隔离度≥15 dB，能够满足量子芯片自动化标定系统的使用需求。