超導量子計算應用

應用簡介：

超導量子計算是實現可擴展容錯量子電腦最有前途的技術之一。在過去的二十年中，超導量子計算取得了巨大的進步。全球範圍內的大學實驗室，政府機構和越來越多的民間公司均相繼報導了很多重要的進展。隨著該領域研究的高速發展，各機構更加致力於各自的核心競爭力：量子晶片製造，量子晶片表徵或量子演算法設計。

蘇黎世儀器 (Zurich Instruments) 致力於提供全球首個可擴展至 100 個量子比特及以上的商用量子計算測控系統 (QCCS)。 QCCS 包含將實體層的量子比特（比如超導電路）連接到量子堆疊中的更高層（運行與量子比特類型無關的演算法）所需的硬體和軟體。

我們可以説明客戶應對哪些挑戰？

• 量子比特控制：通過產生超低相位雜訊和高頻寬的控制脈衝，利用記憶體高效的定序器，以實現高保真度量子門操作。
• 量子態讀出：單台儀器可實現多達 64 個量子比特的量子態高保真度、低延遲讀取。
• 量子態回饋：通過低時延的量子態控制和讀取，實現單個量子比特的重置以及全域伴隨式解碼等量子糾錯演算法。
• 可擴展的量子計算系統：通過精確時間同步，低通信延遲及支援高層量子演算法的控制軟體，使量子計算測控系統可輕鬆實現擴展，並在操作上更加便捷， 操作整個系統類似於操作一台儀器。

 

測量方案：

QCCS 代表了控制超導量子處理器的最先進技術。它向使用者提供一個完全可程式設計的系統，包括任意波形發生器 HDAWG，信號發生器 SHFSG，量子分析儀 SHFQA 和可程式設計量子系統控制器 PQSC，及控制軟體 LabOne® 使用者圖形介面  (GUI)， LabOne QCCS 軟體，LabOne 應用程式介面 APIs，和常用軟體 QCoDeS 和 Labber 的驅動 。QCCS 的主要功能包括量子晶片表徵和初始化、量子門操作、多比特量子態讀取和回饋。

 

量子比特的表徵和校準：

• 任務：測量量子比特躍遷頻率和讀取頻率，表徵量子比特的性能，優化單發讀取保真度。
• 特點：SHFQA 量子分析儀具有兩個高速讀取模式適用於測量諧振腔頻率和量子態讀取。同樣基於雙超外差技術的 SHFSG 信號發生器具有功能強大的定序器，可實現單比特量子門的表徵和優化。
• 優勢：基於硬體平均功能和時序執行能力，實現快速多量子比特並行表徵和校準。集成化，高線性度寬頻微波信號的直接產生縮短了實驗切換時間降低了實驗的複雜度，即微波信號輸出可直接連接至控制線和讀取線。

多量子比特量子處理器的表徵和校準需要花費大量的時間，且多量子態的並行輸出能力對量子演算法執行尤為重要。SHFQA 的諧振腔譜和量子態讀取模式極大地簡化了表徵實驗，且可直接輸出數位化的量子態。SHFSG 高度線性的微波信號轉換特性可實現保真度單比特門操作。

 

量子計算：

• 任務：優化量子門操作的保真度，運行含或不含糾錯功能的複雜量子演算法，並表徵其性能和極限。
• 特點：SHFSG 信號發生器頻率範圍覆蓋直流至 8.5 GHz，可實現單比特門和兩比特門。SHFSG 的雙超外差技術保證了低雜訊，無雜散信號可用于高保真度門操作，無需使用和校準 IQ 混頻器。HDAWG 多通道任意波形發生器可輸出高達 +18 dBm 的低相噪信號，結合 HDAWG-PC 即時預補償選件可用於產生磁通脈衝以實現高保真度兩比特門操作。
• 優勢：QCCS 是一款高性能的產品，不斷創新以引領行業發展，以滿足用戶不斷增長的需求。

複雜量子演算法的實現依賴于高保真的通用單比特和兩比特門。在超導量子系統中，兩比特門的保真度可能受到磁通脈衝雜訊或參量兩比特門的相位雜訊的限制。 HDAWG 出色的雜訊性能可使使用者實現 99.9％ 的基於磁通變化的兩比特門保真度。此外，HDAWG-PC 即時預補償選件可最大程度地降低兩比特門中量子資訊的洩漏。SHFSG 的輸出頻率覆蓋直流至 8.5 GHz，可直接用於單比特門和兩比特交叉共振門，無需混頻器校準。

 

量子態主動重置和伴隨式解碼：

• 任務：通過改進量子比特初始化和糾錯提高量子演算法性能
• 特點：通過小型系統的觸發連接，以及高達 100 量子比特及以上的系統的 ZSync 和 PQSC 連接，可以實現低延遲的多設備通信。 PQSC 為主動重置、全域伴隨式解碼和用戶訪問 FPGA 提供寄存器轉發，以支援開發使用者需要的改錯碼。
• 優勢：SHFQA 的即時量子態鑒別以及所有控制和讀出儀器（SHFQA、SHFSG 和 HDAWG）的即時決策和分支，可通過 PQSC 同步運行最先進的回饋代碼， 也就是從用於量子比特初始化的快速主動重置到表面代碼的全域伴隨式解碼。

程式設計：
LabOne Q 控制軟體框架附帶了大量超導量子位元測量方法的範例。查看我們的應用程式庫，瞭解如何實作以下方法以及更多方法。

• 快速光譜。
• 單量子位元和雙量子位元閘調整。
• 隨機基準測試。
• 活動量子位元重置。

LabOne Q 應用程式庫可讓您快速加強量子位元實驗，同時也能離線時進行模擬。借助此框架，您可以獲得用於描述量子設備及其操作方面的測量的工具。應用程式庫涵蓋了調整工作流程的所有部分：實驗定義、測量、分析和繪圖以及物理參數更新。

 

選擇蘇黎世儀器的優勢：

• 受益于我們的項目合作夥伴 Andreas Wallraff 教授（瑞士蘇黎世聯邦理工大學ETH）和 Leonardo DiCarlo 教授（荷蘭代爾夫特大學TU Delft）的開拓性工作。（詳情官網見訪談記錄）。
• 受益于我們的量子計算專家提供的強大技術支持，他們擁有多年從事超導量子比特工作的第一手經驗。
• QCCS 作為已經驗證解決方案，被多篇高影響因數文章引用（請參見官網）。
• QCCS 考慮了所有的實驗階段：啟動，表徵，校準和計算。
• 全面的套裝軟體使您節省更多的時間：強大的使用者圖形介面，視覺化的程式設計過程以及持續的軟體支援和更新（LabOne 和 APIs）。
• 將 QCCS 添加到您的研究計畫藍圖，以集成高級量子堆疊軟體 (比如Qiskit)，實現實用型量子電腦。

 

Zurich Instruments 之QCCS代表產品： SHFQC+, SHFPPC, HDAWG, QHub....等，歡迎再來信來電詢問！

 

100個量子比特控制介紹影片：

 

HDAWG 即時預先補償介紹影片：