量子計算機要充分發揮潛力，需要數百萬量子比特，而不是目前的數百量子比特。然而，通往量子計算機規模化的道路并不僅僅是由量子比特技術的發展鋪就的。在后臺工作的數模轉換器（DAC）和模數轉換器（ADC）也起著至關重要的作用。因此，隨著量子計算機復雜性的提高，這些模擬元件將變得越來越重要。

DAC 在量子控制中至關重要。它們用于將數字控制信號轉換成模擬電壓、光脈沖或微波脈沖，以控制量子比特和創建量子門。DAC 技術的進步帶來了更快的速度和更高的精度，從而能夠更快、更精確地控制量子操作。

這些 DAC 允許使用復雜的脈沖序列和控制算法，從而提高了門的可靠性和量子算法的性能。量子門是在量子比特上執行的基本操作，通過精心設計的控制信號來實現。每個量子比特通常需要 2 到 5 個 DAC。

這些 DAC 需要具備以下條件：

高分辨率和高速度

要精確操縱量子比特狀態，需要具有高分辨率（8-12 位）的 DAC，以精確表示復雜的控制信號和快速沉淀時間（納秒或更快），確保將信號失真降至最低。隨著現代技術的發展，量子計算機的 DAC 采樣率正從每秒數十兆采樣 (MSPS) 提高到每秒 100 兆采樣 (MSPS) 甚至更高。

低噪音

數模轉換器引入的任何噪聲都可能導致控制信號出錯，從而影響量子運算的保真度。

ADC 在量子控制中也至關重要。它們用于將測量量子比特的模擬信號轉換為可由標準控制系統處理的數字數據。目前已經開發出先進的高分辨率轉換器，能夠以最小的噪聲和失真精確捕捉量子信號。

這些模數轉換器還能精確測量量子態，為量子系統的糾錯和實時控制提供必要的反饋。執行量子計算后，必須讀出量子比特狀態。這就需要監測微弱信號，再由 ADC 轉換成數字形式。每個量子比特需要 1 到 3 個 ADC，具體取決于實現方式。

這些 ADC 需要具備以下條件：

高靈敏度和動態范圍

模數轉換器必須具有高靈敏度，才能捕捉到來自量子比特的微弱信號，并具有較寬的動態范圍，以便能夠處理全部電位值。通常，這些控制信號的分辨率應在 5 到 12 位之間。

高速

快速采樣率的 ADC 是高效讀出所必需的，以便捕捉量子比特狀態的快速變化。與 DAC 一樣，量子計算機的 ADC 采樣率正在從每秒百萬次采樣（MSPS）提高到每秒數百次采樣（MSPS），甚至更高。

圖 1 高分辨率 ADC 可以精確捕捉量子信號，并將噪聲和失真降至最低。來源：Agile Analog 敏捷模擬

DAC 和 ADC 集成挑戰

將高性能 DAC 和 ADC 集成到量子計算系統中會面臨一些挑戰：

微型化

隨著量子比特數量的增加，對緊湊型可擴展 DAC 和 ADC 的需求也在增加。例如，如果每個量子比特需要 5 個 DAC 和 3 個 ADC，并且需要 1,000 個量子比特，那么就需要 8,000 個轉換器。因此，100 萬個量子比特需要 800 萬個轉換器。

集成

這些轉換器與量子比特控制和讀出電子設備的無縫集成對系統的高效運行至關重要。

功耗

保持低功耗對量子計算機的整體能效至關重要。以 8000 或 800 萬個轉換器為例，如果這些轉換器的功耗都是 1 毫瓦，那么總功耗就是 8 瓦或 8000 瓦。這一切都會產生大量熱量，而現代低溫恒溫器的內部耗散只能維持在 2 到 5 瓦之間。

目前面臨的主要挑戰是縮小面積、提高集成度、降低功耗，同時還要保持控制和測量量子比特所需的數據轉換器性能。

外部控制電子設備

控制電子元件與量子系統連接，實現精確控制和測量。目前，大多數量子計算機的控制電路，包括數模轉換器和模數轉換器，都安裝在量子比特所在的超低溫腔室（低溫恒溫器）外部。

這種方法雖然適用于小規模系統，但在擴展到數千甚至數百萬量子比特時卻遇到了瓶頸。問題包括

物理限制

可控制的量子比特數量受限于低溫恒溫器的物理限制。隨著量子比特數量的增加，為每個量子比特（包括用于 DAC 和 ADC 的電纜）鋪設大量控制電纜變得不切實際。

信號衰減

長控制電纜會導致信號衰減和噪聲，從而導致量子比特控制和讀出錯誤。隨著電纜長度的增加，這些誤差的可能性也會增加，從而影響量子運算的保真度。

更高的復雜性

在低溫恒溫器外管理和布線眾多控制電纜會增加系統的復雜性，因此更難維護和擴展。

在低溫恒溫器內集成控制電子元件的優勢

在低溫恒溫器內直接集成控制電子元件，特別是 DAC 和 ADC，為解決可擴展性難題提供了一種潛在的解決方案。它有助于為建造更大、更強大的量子計算機鋪平道路。

有以下幾個好處

提高可擴展性

有了片上模擬控制電子元件，可控制的量子比特數量不再受限于低溫恒溫器饋入件的數量。這樣就能構建更大、更復雜的量子電路。數字控制電路可以集成在低溫恒溫器內，或者由于數字信號固有的抗噪性，留在低溫恒溫器外。

減少信號衰減

通過將 DAC 和 ADC 放在離量子比特更近的位置，信號損耗和噪聲可降至最低，從而提高控制和讀出保真度。

簡化系統設計

將模擬控制電子元件集成在低溫恒溫器內可降低系統的復雜性，從而使其更易于管理和維護。

在低溫恒溫器內集成控制電子元件的挑戰

雖然在低溫恒溫器內集成 DAC 和 ADC 有很多好處，但也存在一些挑戰：

惡劣的低溫環境

為室溫操作而設計的 DAC 和 ADC 需要進行調整，以便在低溫（通常為 4 開爾文左右）環境下可靠運行。這需要專門的電路設計技術。雖然半導體工藝技術的工作溫度通常為 -40°C 至 125°C，但在這種低溫條件下設計時需要新的模型。此外，還必須對代工廠提供的基礎晶體管進行改動，以便在這些低溫條件下實現最佳性能。

空間有限

要在量子比特附近的有限空間內集成大量 DAC 和 ADC，就必須采用小型化和高密度封裝解決方案。

功耗

低溫恒溫器內的散熱管理至關重要。為了避免影響系統的熱穩定性，低功耗 DAC 和 ADC 至關重要。

量子計算機擴展中的 DAC 和 ADC

隨著量子計算機的不斷發展，對高保真、低噪聲和高速模擬元件的需求只會變得更加重要。因此，Agile Analog 正在探索開發一系列低溫 DAC 和 ADC 的機會。設計團隊在與超低功耗嵌入式存儲器專家 sureCore 合作的一個項目中獲得了一些相關挑戰的經驗，該項目提供了一個低溫控制 ASIC，作為英國創新基金資助項目的一部分。

這些設計工作清楚地表明，DAC 和 ADC 將在量子計算機的擴展過程中發揮關鍵作用，并將有助于加速量子計算機向更復雜的實際應用發展。