3. 相干时间测试的硬件环境搭建

时间域相干测量本质上是一次“把量子比特当作被测量器件”的微波实验：先给比特施加精确控制的微波脉冲，再在延迟一段时间后读取它还剩多少相位信息或能量信息。要完成这件事，硬件平台必须同时具备四个能力——极低温、相干微波激励、任意波形调制、以及时间分辨的信号采集。本节围绕稀释制冷机、微波信号源、任意波形发生器（AWG）和数字化仪四类关键设备，说明它们各自的功能、接口关系，以及如何把它们连成一套可用于 T1、T2*、Ramsey 与 Hahn echo 测量的基础平台。

一、四类关键设备的功能定位

稀释制冷机提供量子比特工作所需的毫开尔文环境。超导量子比特的能级间距通常在 4～8 GHz，对应温度约 200～400 mK；若环境热噪声光子数过高，比特会被热激发，T1 显著缩短。典型稀释制冷机从室温 300 K 经 50 K、4 K、still（约 800 mK）、cold plate（约 100 mK）逐级降温，最终混合室（MXC）可达 10 mK 量级。所有微波线缆必须经过多级衰减与滤波，避免室温噪声沿同轴线传导到 MXC。

微波信号源负责产生量子比特的驱动载波。它输出的是连续波（CW）单频信号，频率对准比特跃迁频率 ω01/2π，例如 5.12 GHz，功率经衰减后到达比特时约 −20 dBm。信号源提供的是“载波”，本身不携带脉冲包络。

任意波形发生器负责把载波“切”成需要的脉冲形状。它输出基带 I/Q 两路信号，经 IQ 混频器与信号源载波上变频，形成高斯、余弦或 DRAG 脉冲。AWG 的采样率（如 1 GS/s 或 2.4 GS/s）决定了脉冲时间分辨率，典型高斯脉冲宽度 20～40 ns，DRAG 系数 β 约 0.3～0.5。

数字化仪负责读取比特状态。它采集从读取腔反射或透射出来的微波信号，经解调后得到 I/Q 电压对，在 IQ 平面上区分 |0⟩ 与 |1⟩ 两个簇。数字化仪的时间分辨率与采样深度决定了单次测量窗口，例如 1 GS/s、2 μs 采集长度对应 2000 个采样点。

二、信号链的连接方式

整套平台的信号流可以概括为“控制链下行、读取链上行、时钟同步贯穿全局”。控制链上，微波信号源输出载波进入 IQ 混频器的 LO 端口；AWG 的 I、Q 两路输出进入混频器的 IF 端口，混频后得到带包络的驱动脉冲，再经衰减器、低通滤波器送入稀释制冷机，最终到达量子比特。读取链上，读取脉冲由另一路 AWG 或信号源产生，经读取腔反射后由环形器/隔离器分离，再经低温放大器（如行波参量放大器 TWPA 或 HEMT）放大，回到室温后由数字化仪采集。

时钟同步是容易被忽视但极其关键的一环。AWG 与数字化仪必须共享同一个 10 MHz 参考时钟，否则脉冲发射与采集之间存在随机相位漂移，Ramsey 条纹会整体抖动，T2* 被严重低估。通常做法是用信号源的 10 MHz 输出作为主时钟，经时钟分配器同时送给 AWG 和数字化仪，并确保所有设备触发沿对齐。

三、搭建顺序与关键检查点

实际搭建建议按“先低温、后室温，先直流、后射频”的顺序推进。第一步，确认稀释制冷机各温区已稳定：MXC 温度低于 15 mK，still 压力稳定，4 K 板温度波动小于 50 mK。第二步，连接控制链：信号源 → IQ 混频器 LO，AWG I/Q → 混频器 IF，混频器 RF → 衰减链 → 环形器 → 比特。每级衰减值需根据比特实际工作功率反推，例如信号源输出 0 dBm，经 20+20+10 dB 衰减后到达 MXC 约 −50 dBm，再经芯片耦合损耗约 30 dB，比特处约 −80 dBm，对应单光子量级驱动。第三步，连接读取链：读取脉冲源 → 读取腔输入，读取腔输出 → 环形器 → 低温放大器 → 室温放大器 → 数字化仪。第四步，接入 10 MHz 时钟与触发，用示波器确认 AWG 触发与数字化仪采集起始沿对齐，抖动小于 100 ps。

完成连线后，先做一次“无比特”的直通测试：把驱动链末端接 50 Ω 负载，用数字化仪观察读取脉冲的时域波形，确认无振铃、无削波。然后降温并测量读取腔的 S21 曲线，找到读取频率与耦合强度。最后才进入比特的 T1 测量：施加一个 π 脉冲，延迟 τ 后施加读取脉冲，扫描 τ 从 0 到 200 μs，拟合指数衰减 e^(−τ/T1)，典型超导比特 T1 在 20～100 μs 之间。若 T1 明显偏短，优先检查衰减是否足够、滤波器是否有效、以及 MXC 处是否有多余红外泄漏。

四、基础平台参数示例