量子计算由于其潜在的强大算力,是当前的一个热门研究领域。在众多可能实现量子计算的物理体系中,超导量子计算体系目前被认为是最有前景的物理体系之一,本人博士期间的研究工作也是基于这个体系展开。对于量子计算而言,实现高保真度的初态制备、逻辑门操控以及量子态读取至关重要。然而,由于量子系统的脆弱性,量子计算机在运行时不可避免会出现错误。量子纠错为实现通用的容错量子计算提供了一条可行的路径。在量子纠错中,需要对物理比特进行反复的测量以监测错误的发生从而决定是否需要进行纠错,因此,我们不仅需要实现对量子比特的高保真度读取,还要求读取的时间尽可能短,以降低在测量过程中其他新的错误发生的概率。本文以实现超导量子比特的快速、高保真度读取为研究目标,通过系统分析读取原理,从读取参数优化、读取线路器件设计以及软件算法设计等几方面展开具体研究。本论文的主要研究内容和研究成果如下:1.本文研究了超导量子比特的读取问题,通过分析读取保真度与芯片设计参数之间的关联性,首次提出了一套完整的读取参数最优化设计方案。同时,本文清晰地指明,为实现更快速、更高保真度的量子比特读取,Purcell滤波器的实现以及量子极限参量放大器的实现至关重要。这为后文的工作提供了研究动机和目标。2.本文设计了一种新型的Purcell带阻滤波器,提高了对量子比特寿命的保护上限,可以用于实现更快速的量子比特读取。滤波器的实验测试结果也和仿真结果相符合。最后,通过分析现有几种不同设计的优缺点,本文提出了几种新的改进方案并通过仿真验证了改进后的设计对量子比特寿命的保护效果以及读取效果的提升。3.在超导量子体系中实现了参量放大器。其中,本文首次在实验上实现了基于共面波导阻抗变换器的三波混频宽带宽参量放大器,其增益在15 dB以上、带宽大于600 MHz、噪声温度达到量子极限水平。利用这种宽带宽放大器,本文在一块多比特芯片上实现了多比特的快速高保真度读取——读取时间约为300 ns～500 ns,保真度高达98.14%。4.研究了多比特联合读取中导致读取保真度下降的读取串扰问题。本文提出了一种新的基于浅层神经网络的态分类器,并通过实验证明,它能够有效抑制读取串扰从而提高多比特联合读取保真度。同时这类态分类器还可以应用于现场可编程门阵列（FPGA）中实现快速的态分辨和实时的反馈控制,这在未来容错量子计算的读取中将具有显著的优势。本文主要有以下几点创新:·首次提出了一套完整的超导量子比特读取参数最优化设计方案。·设计了一种新型的Purcell带阻滤波器,可以提高量子比特寿命的上限以及量子比特读取速度的上限。·首次分别利用片外以及片上的共面波导阻抗变换器实现三波混频的宽带宽参量放大器,用于实现多比特的高保真度读取。·首次提出基于浅层神经网络的态分类器,并利用该分类器有效抑制读取串扰,提高联合读取保真度。