一個閘，就是一段整形過的脈衝
一個超導量子位元有一個躍遷頻率——通常在 5 吉赫茲上下，和 Wi-Fi、雷達是同一個波段。要翻轉它、或讓它轉動，你就送進一段精確調到那個頻率的微波。這段微波就是一個微波控制脈衝，而一個邏輯閘，無非就是這樣一段、被恰到好處地整形過的脈衝。讓脈衝持續某個長度，位元就轉過四分之一圈；再長一倍，就轉半圈——也就是一次完整的位元翻轉。
脈衝誕生在室溫下。一台任意波形產生器（AWG）——說白了就是一個非常快、非常精密的數位類比轉換盒子——播放出兩段緩慢變化的電壓波形，叫做 I 和 Q。一個 IQ 混頻器隨後把這兩段緩慢的波形"騎"到一個乾淨的 5 吉赫茲載波音調上，就像電台把音樂印到載波上一樣。出來的，就是一段你能精確控制到許多位小數的微波脈衝——它的幅度、時序和相位都在你手裡。
可這段室溫脈衝太"吵"了。要是直接送進去，光是它自身的熱雜訊就會淹沒量子位元。所以在沿著稀釋製冷機往下走的途中，訊號要經過一級又一級的低溫衰減——那是一些刻意設置的、冰冷的阻尼器，把大部分功率扔掉，更關鍵的是，連同室溫帶來的大部分熱量一起扔掉。最終抵達晶片的，是一聲微弱而乾淨、頻率恰好對上的輕語。
DRAG：不去吵醒第三能階的脈衝
關於 transmon 有一個尷尬的真相：它其實並不是一個真正的兩能階系統。在你實際使用的 |0> 和 |1> 之上，還坐著一個 |2> 態，再往上還有幾個。transmon 之所以能當量子位元用，靠的正是它的非諧性——|1> 到 |2> 這一級，頻率與你想驅動的 |0> 到 |1> 那一級略有不同。但麻煩就出在"略"字上。一段又短又陡的脈衝並不是單一的純音；它是一小片頻率的塗抹，而這片塗抹的邊緣，可能會夠到上面、意外地激發 |2>。這種雜散激發叫做洩漏，洩漏掉的布居，就是悄悄掉出了你電腦之外的資訊。
解決辦法是一個漂亮而簡單的點子，叫做 DRAG（用絕熱閘去除導數項）。在 I 通道上那段主脈衝旁邊，你再加上一段更小的、放在 Q 通道上的脈衝——它的形狀正是第一段脈衝的導數（也就是斜率）。這段陪伴脈衝被調成：主脈衝把 |2> 激發起來有多快，它就把這份激發推回去多快，於是兩者相互抵消。結果是你在 |0>-|1> 上得到了想要的轉動，而 |2> 原封不動。
Pulse envelopes (amplitude vs time, not to scale):
I channel (main drive, a smooth bell):
.-''-.
.' '.
/ \
__/ \__ time -->
Q channel (DRAG correction = slope of I):
_.-.
.' `. the up-then-down wiggle
__.' `.__ is the derivative of the
`-' bell above
Together: rotate 0<->1, and the |2> leakage
stirred up by the rising edge is undone by
the falling edge.用一根線讀出許多位元
控制位元只是工作的一半；你還得把它們讀出來，而讀出，正是佈線變得殘酷的地方。如果每個位元都需要一根專屬的輸出線，一路接上去、引出冰冷的製冷機，那一塊擁有幾百個位元的晶片就得用上一片同軸電纜的森林——而每一根都是一條導熱的管道。這就是著名的佈線瓶頸，也是今天的機器之所以仍然很小，最具體的原因之一。
出路是頻率多工。每個位元配上自己那個小小的讀出諧振腔，而關鍵在於，每個諧振腔都被造得在略微不同的頻率上振響。你把一整排諧振腔掛在一根共享的輸出線上。要讀出整排，你就送進一段同時包含它們所有頻率的脈衝——一個小小的和弦——再聽這個和弦怎麼回來。每個音符回來時都帶著一種偏移，告訴你它對應的位元是 0 還是 1。一根線，許多答案。
Multiplexed readout: many resonators, one line
qubit A --[ resonator @ 7.10 GHz ]--+
qubit B --[ resonator @ 7.25 GHz ]--+--- one shared
qubit C --[ resonator @ 7.40 GHz ]--+ output line
qubit D --[ resonator @ 7.55 GHz ]--+ |
v
send ONE pulse = sum of all 4 tones
listen: each tone comes back shifted
-> read A, B, C, D in a single shot
The faint returning chord is too weak to measure
directly, so it is boosted first by a quantum-
limited amplifier (a JPA or TWPA) at the cold stage.回來的那個和弦弱得驚人——只有寥寥幾個微波光子。在它能熬過那段又長又有損耗、爬回室溫電子設備的旅程之前，它要先在冷端被一台近乎無雜訊的放大器放大，比如約瑟夫森參量放大器或行波參量放大器。然後，室溫電子設備才把每個音符數位化，判定每個位元的答案。
誠實的侷限，以及它的去向
多工確實有幫助，但它並沒有讓佈線問題消失——它只是把問題重新排布了一下。你仍然需要往下走的控制線（讀出多工並不會把驅動也多工掉），而且一個頻段裡能塞進的諧振腔頻率數量是有限的，塞多了就會有兩個挨得太近、它們的答案糊在一起。這種讀出頻率的擁擠，正是早已困擾位元本身的那種頻率擁擠的近親。
- 一段脈衝先在軟體裡編好，由室溫的 AWG 以 I、Q 波形播放出來，再被混頻到一個微波載波上。
- 它沿著製冷機往下走，被一級級衰減，使室溫的熱量在抵達晶片之前就被層層剝離。
- DRAG 整形讓每個閘既能做得快，又不會把布居洩漏到 |2> 態上。
- 讀出時，一段多音脈衝在共享線上同時詢問許多諧振腔；一台冷端放大器把微弱的回應救回來。
有希望的方向，是把電子設備挪到更靠近冷端的地方。今天那一機櫃一機櫃的室溫 AWG 和數位化儀，根本撐不到上千個位元——電纜饋通和製冷預算就是不夠用。希望寄託在低溫 CMOS上：把普通的矽控制晶片重新設計，使其能在製冷機裡運行，就在位元旁邊生成和讀取脈衝。它是真實的、也在推進，但仍然很早期——它每耗散一毫瓦，都在啃食一份以微瓦計的熱預算。這些都還沒解決，而這恰恰就是要做的工作。