DAC和ADC对量子计算机升级的重要性解析？

量子计算机要充分发挥潜力，需要数百万量子比特，而不是目前的数百量子比特。然而，通往量子计算机规模化的道路并不仅仅是由量子比特技术的发展铺就的。在后台工作的数模转换器（DAC）和模数转换器（ADC）也起着至关重要的作用。因此，随着量子计算机复杂性的提高，这些模拟元件将变得越来越重要。

DAC 在量子控制中至关重要。它们用于将数字控制信号转换成模拟电压、光脉冲或微波脉冲，以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精度，从而能够更快、更精确地控制量子操作。

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的性能。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。

这些 DAC 需要具备以下条件：

高分辨率和高速度

要精确操纵量子比特状态，需要具有高分辨率（8-12 位）的 DAC，以精确表示复杂的控制信号和快速沉淀时间（纳秒或更快），确保将信号失真降至最低。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 100 兆采样 (MSPS) 甚至更高。

低噪音

数模转换器引入的任何噪声都可能导致控制信号出错，从而影响量子运算的保真度。

ADC 在量子控制中也至关重要。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精确捕捉量子信号。

这些模数转换器还能精确测量量子态，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，必须读出量子比特状态。这就需要监测微弱信号，再由 ADC 转换成数字形式。每个量子比特需要 1 到 3 个 ADC，具体取决于实现方式。

这些 ADC 需要具备以下条件：

高灵敏度和动态范围

模数转换器必须具有高灵敏度，才能捕捉到来自量子比特的微弱信号，并具有较宽的动态范围，以便能够处理全部电位值。通常，这些控制信号的分辨率应在 5 到 12 位之间。

高速

快速采样率的 ADC 是高效读出所必需的，以便捕捉量子比特状态的快速变化。与 DAC 一样，量子计算机的 ADC 采样率正在从每秒百万次采样（MSPS）提高到每秒数百次采样（MSPS），甚至更高。

图 1 高分辨率 ADC 可以精确捕捉量子信号，并将噪声和失真降至最低。来源：Agile Analog 敏捷模拟

DAC 和 ADC 集成挑战

将高性能 DAC 和 ADC 集成到量子计算系统中会面临一些挑战：

微型化

随着量子比特数量的增加，对紧凑型可扩展 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，并且需要 1,000 个量子比特，那么就需要 8,000 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出电子设备的无缝集成对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 毫瓦，那么总功耗就是 8 瓦或 8000 瓦。这一切都会产生大量热量，而现代低温恒温器的内部耗散只能维持在 2 到 5 瓦之间。

目前面临的主要挑战是缩小面积、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。

外部控制电子设备

控制电子元件与量子系统连接，实现精确控制和测量。目前，大多数量子计算机的控制电路，包括数模转换器和模数转换器，都安装在量子比特所在的超低温腔室（低温恒温器）外部。

这种方法虽然适用于小规模系统，但在扩展到数千甚至数百万量子比特时却遇到了瓶颈。问题包括

物理限制

可控制的量子比特数量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）铺设大量控制电缆变得不切实际。

信号衰减

长控制电缆会导致信号衰减和噪声，从而导致量子比特控制和读出错误。随着电缆长度的增加，这些误差的可能性也会增加，从而影响量子运算的保真度。

更高的复杂性

在低温恒温器外管理和布线众多控制电缆会增加系统的复杂性，因此更难维护和扩展。

在低温恒温器内集成控制电子元件的优势

在低温恒温器内直接集成控制电子元件，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。它有助于为建造更大、更强大的量子计算机铺平道路。

有以下几个好处

提高可扩展性

有了片上模拟控制电子元件，可控制的量子比特数量不再受限于低温恒温器馈入件的数量。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，留在低温恒温器外。

减少信号衰减

通过将 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，从而提高控制和读出保真度。

简化系统设计

将模拟控制电子元件集成在低温恒温器内可降低系统的复杂性，从而使其更易于管理和维护。

在低温恒温器内集成控制电子元件的挑战

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：

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 开尔文左右）环境下可靠运行。这需要专门的电路设计技术。虽然半导体工艺技术的工作温度通常为 -40°C 至 125°C，但在这种低温条件下设计时需要新的模型。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，就必须采用小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。

量子计算机扩展中的 DAC 和 ADC

随着量子计算机的不断发展，对高保真、低噪声和高速模拟元件的需求只会变得更加重要。因此，Agile Analog 正在探索开发一系列低温 DAC 和 ADC 的机会。设计团队在与超低功耗嵌入式存储器专家 sureCore 合作的一个项目中获得了一些相关挑战的经验，该项目提供了一个低温控制 ASIC，作为英国创新基金资助项目的一部分。

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向更复杂的实际应用发展。