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ZI 全新大規模量子測控系統ZQCS

ZI 全新大規模量子測控系統ZQCS

克服長壽命邏輯量子位元挑戰的利器

Zurich Instruments 全新量子測控機台ZQCS

 

ZQCS Quantum Control System 是 Zurich Instruments 為操作千量子位元等級量子電腦所打造的解決方案。其設計目的是解決通往容錯量子計算（Fault-Tolerant Quantum Computing）道路上的關鍵挑戰：大規模運作、量子糾錯（Quantum Error Correction, QEC）以及將量子保真度提升至更高水準。

產品亮點

  • 模組化系統，可靈活組合量子位元控制與讀出通道
  • 為量子糾錯最佳化的強大即時運算架構
  • 每個 19 吋機櫃最高可達 1,092 個通道
  • 業界領先的訊噪比（SNR），並支援第一奈奎斯特區（First Nyquist Zone）直接 RF 訊號產生
  • 可由單一 Shelf/Chassis 無縫擴展至多 Shelf 系統
  • 完整的控制軟體介面，涵蓋 Pulse、Gate 與 Workflow 等層級

真正可擴展的架構

可擴展的量子控制始於一套能在前所未有系統規模下穩定運作的架構，同時兼顧可維護性、低營運成本以及與現有基礎設施的相容性。ZQCS 將專業量子控制技術整合至已在電信產業與大型物理實驗中驗證成熟的架構中。其同步機制針對大規模量子程式執行進行最佳化，透過統一時間基準（Wall Clock），確保在正確時間播放正確的脈衝訊號。

高密度設計可在單一 19 吋機櫃內提供超過 1,000 個通道，並支援水冷機櫃運作，以最佳化散熱效率、降低溫度波動，同時兼顧工作場所健康與安全需求。

無限制的量子糾錯研究-強大的混合運算能力

為了開發可穩定量子處理器（QPU）的解碼器（Decoder），需要將量子與傳統運算資源緊密整合。為加速研發進展，量子研究需要能夠自由組合各種運算資源。ZQCS 提供強大的即時運算能力，並賦予使用者高度彈性。每個 Shelf 皆搭載可程式化 FPGA，可直接存取最多 364 個通道。多個 Shelf 可透過 Full-Mesh 網路自由互連。

此外，系統提供基於 RDMA over Converged Ethernet（RoCE）的高速低延遲介面，可與 CPU/GPU 等傳統運算資源進行高頻寬連接。

實現更高量子保真度

實現容錯量子計算的關鍵，在於於大型量子晶片上穩定提升量子保真度（Quantum Fidelity）。憑藉對控制誤差與退相干（Decoherence）機制的深入理解所設計的類比前端架構，ZQCS 可協助研究人員將量子保真度提升至 99.999%（Five Nines）以上，而不受控制系統本身限制。

ZQCS 採用第一奈奎斯特區直接 RF 技術（Direct-RF Technology）的類比前端設計，在量子控制最重要的訊號特性間取得最佳平衡：

  • 市場領先的訊噪比（SNR）
  • 低雜散訊號（Low Spurs）
  • 穩定的振幅與相位
  • 低延遲特性

可擴展的軟體架構

量子運算堆疊（Quantum Stack）的上層仍存在許多不確定因素，可能造成量子系統擴展受阻，例如：

  • 效能瓶頸
  • 脆弱的 Tune-up 流程
  • 不可靠的軟體介面

Zurich Instruments 的可擴展軟體架構可有效降低上述風險。

LabOne Q 讓使用者可依需求在適當抽象層級設計實驗，包括：

  • Pulse Level
  • Gate Level
  • Workflow Level

最佳化編譯器與執行環境可將程式快速映射至硬體，並將額外負擔降至最低。經驗證的自動化工具則可確保系統從單顆晶片到大型量子系統皆維持一致性能。

通道規格

ZQCS 提供三種通道類型，可支援各類超導量子位元的控制與讀出需求。所有通道皆採用高密度多同軸 SMP（Multicoax SMP）連接器。

微波控制通道 2 MW Control：

  • Direct RF
  • 24 GSa/s、16-bit
  • 頻率範圍：0.1 GHz ～ 10.5 GHz
  • 即時頻寬：1.6 GHz
  • 訊噪比：−160 dBFS/Hz
  • 每組 Multicoax SMP 提供 7 個輸出通道

微波讀出通道 3 MW Readout：

  • 低延遲 ADC 輸入
  • 12-bit
  • 輸入頻率範圍：3 GHz ～ 11.5 GHz
  • 即時頻寬：1.4 GHz
  • 輸出規格：Direct RF、24 GSa/s、16-bit、0.1 GHz ～ 10.5 GHz
  • 每組 Multicoax SMP 提供 2 組輸入與 2 組輸出


低頻控制通道 2 LF Control：

  • 2 GSa/s、16-bit
  • 輸出範圍：±2 V（50 Ω 負載）
  • 頻率範圍：DC ～ 300 MHz（−3 dB）
  • 電壓雜訊：12 nV/√Hz（>100 kHz）
  • 每組 Multicoax SMP 提供 7 個輸出通道


模組架構

ZQCS 可由一個或多個 SHL14 System Shelf 組成，每個 Shelf 具有 14 個模組插槽。

其中最多 13 個插槽可配置類比 I/O 模組，共有三種型號：

MWM2102 Microwave Module：

  • 21 個 MW 控制通道
  • 2 組 MW 讀出 I/O

MWM1404 Microwave Module：

  • 14 個 MW 控制通道
  • 4 組 MW 讀出 I/O

LFM2800 Low-Frequency Module：

  • 28 個 LF 控制通道

使用者可自由組合上述模組，以精細配置所需的控制與讀出通道數量。

此外，每個 SHL14 System Shelf 均配置一個 TDM14 Timing and Decoding Module。

TDM14 負責：

  • Shelf 內所有類比 I/O 模組的同步控制與資料通訊
  • 多 Shelf 之間的互連通訊
  • 支援彈性的網路拓撲架構

其內建可程式化 FPGA，亦可作為量子糾錯（QEC）應用中的 Decoder 運算資源。

 

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