一个门，就是一段整形过的脉冲
一个超导量子比特有一个跃迁频率——通常在 5 吉赫兹上下，和 Wi-Fi、雷达是同一个波段。要翻转它、或让它转动，你就送进一段精确调到那个频率的微波。这段微波就是一个微波控制脉冲，而一个逻辑门，无非就是这样一段、被恰到好处地整形过的脉冲。让脉冲持续某个长度，比特就转过四分之一圈；再长一倍，就转半圈——也就是一次完整的比特翻转。
脉冲诞生在室温下。一台任意波形发生器（AWG）——说白了就是一个非常快、非常精密的数模转换盒子——播放出两段缓慢变化的电压波形，叫做 I 和 Q。一个 IQ 混频器随后把这两段缓慢的波形"骑"到一个干净的 5 吉赫兹载波音调上，就像电台把音乐印到载波上一样。出来的，就是一段你能精确控制到许多位小数的微波脉冲——它的幅度、时序和相位都在你手里。
可这段室温脉冲太"吵"了。要是直接送进去，光是它自身的热噪声就会淹没量子比特。所以在沿着稀释制冷机往下走的途中，信号要经过一级又一级的低温衰减——那是一些刻意设置的、冰冷的阻尼器，把大部分功率扔掉，更关键的是，连同室温带来的大部分热量一起扔掉。最终抵达芯片的，是一声微弱而干净、频率恰好对上的轻语。
DRAG：不去吵醒第三能级的脉冲
关于 transmon 有一个尴尬的真相：它其实并不是一个真正的两能级系统。在你实际使用的 |0> 和 |1> 之上，还坐着一个 |2> 态，再往上还有几个。transmon 之所以能当量子比特用，靠的正是它的非谐性——|1> 到 |2> 这一级，频率与你想驱动的 |0> 到 |1> 那一级略有不同。但麻烦就出在"略"字上。一段又短又陡的脉冲并不是单一的纯音；它是一小片频率的涂抹，而这片涂抹的边缘，可能会够到上面、意外地激发 |2>。这种杂散激发叫做泄漏，泄漏掉的布居，就是悄悄掉出了你计算机之外的信息。
解决办法是一个漂亮而简单的点子，叫做 DRAG（用绝热门去除导数项）。在 I 通道上那段主脉冲旁边，你再加上一段更小的、放在 Q 通道上的脉冲——它的形状正是第一段脉冲的导数（也就是斜率）。这段陪伴脉冲被调成：主脉冲把 |2> 激发起来有多快，它就把这份激发推回去多快，于是两者相互抵消。结果是你在 |0>-|1> 上得到了想要的转动，而 |2> 原封不动。
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.用一根线读出许多比特
控制比特只是工作的一半；你还得把它们读出来，而读出，正是布线变得残酷的地方。如果每个比特都需要一根专属的输出线，一路接上去、引出冰冷的制冷机，那一块拥有几百个比特的芯片就得用上一片同轴电缆的森林——而每一根都是一条导热的管道。这就是著名的布线瓶颈，也是今天的机器之所以仍然很小，最具体的原因之一。
出路是频率复用。每个比特配上自己那个小小的读出谐振腔，而关键在于，每个谐振腔都被造得在略微不同的频率上振响。你把一整排谐振腔挂在一根共享的输出线上。要读出整排，你就送进一段同时包含它们所有频率的脉冲——一个小小的和弦——再听这个和弦怎么回来。每个音符回来时都带着一种偏移，告诉你它对应的比特是 0 还是 1。一根线，许多答案。
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.回来的那个和弦弱得惊人——只有寥寥几个微波光子。在它能熬过那段又长又有损耗、爬回室温电子设备的旅程之前，它要先在冷端被一台近乎无噪声的放大器放大，比如约瑟夫森参量放大器或行波参量放大器。然后，室温电子设备才把每个音符数字化，判定每个比特的答案。
诚实的局限，以及它的去向
复用确实有帮助，但它并没有让布线问题消失——它只是把问题重新排布了一下。你仍然需要往下走的控制线（读出复用并不会把驱动也复用掉），而且一个频段里能塞进的谐振腔频率数量是有限的，塞多了就会有两个挨得太近、它们的答案糊在一起。这种读出频率的拥挤，正是早已困扰比特本身的那种频率拥挤的近亲。
- 一段脉冲先在软件里编好，由室温的 AWG 以 I、Q 波形播放出来，再被混频到一个微波载波上。
- 它沿着制冷机往下走，被一级级衰减，使室温的热量在抵达芯片之前就被层层剥离。
- DRAG 整形让每个门既能做得快，又不会把布居泄漏到 |2> 态上。
- 读出时，一段多音脉冲在共享线上同时询问许多谐振腔；一台冷端放大器把微弱的回应救回来。
有希望的方向，是把电子设备挪到更靠近冷端的地方。今天那一机柜一机柜的室温 AWG 和数字化仪，根本撑不到上千个比特——电缆馈通和制冷预算就是不够用。希望寄托在低温 CMOS上：把普通的硅控制芯片重新设计，使其能在制冷机里运行，就在比特旁边生成和读取脉冲。它是真实的、也在推进，但仍然很早期——它每耗散一毫瓦，都在啃食一份以微瓦计的热预算。这些都还没解决，而这恰恰就是要做的工作。