Система управления для квантового компьютера на сверхпроводящих кубитах

Теги квантовые вычисления Zurich Instruments

Дата публикации: 14.10.2024 00:00

Введение

Сверхпроводящие кубиты – перспективная технология для создания масштабируемого квантового компьютера, устойчивого к ошибкам.

Zurich Instruments разработали коммерческую систему управления квантовыми вычислениями QCCS, масштабируемую для систем, содержащих свыше 100 кубитов (рисунок 1). QCCS создана для удобной работы с большими квантовыми схемами для практических вычислений, такими как схемы на сверхпроводящих кубитах.

Эта полностью программируемая система включает генератор сигналов произвольной формы HDAWG (рисунок 2), генератор сигналов SHFSG (рисунок 3), квантовый анализатор SHFQA (рисунок 4)и программируемый контроллер квантовой системы PQSC (рисунок 5). QCCS управляется через пользовательский интерфейс LabOne, а также оснащена API и драйверами для наиболее распространенных фреймворков, таких как QuCoDes и Labber. Совместимость с высокоуровневыми языками квантового программирования, такими как Qiskit, делает систему удобной для интеграции в существующие инфраструктуры квантовых вычислений и для разработки собственных алгоритмов.

Ключевые возможности системы QCCS

QCCS помогает решать основные задачи, стоящие перед разработчиками квантовых компьютеров:

Увеличение точности выполнения квантовых операций
- Широкополосная и стабильная генерация импульсов с низким уровнем шума
- Мощный секвенсор с эффективным использованием памяти
Ускорение и повышение надежности считывания кубитов
- Считывание до 64 кубитов одним устройством с минимальными задержками
- Возможность считывания нескольких состояний кубитов
Внедрение квантовой обратной связи для улучшения коррекции ошибок
- Быстрая передача данных, управление системой на основе текущего состояния
- Возможности от активного сброса на одном кубите до запуска глобальных алгоритмов поиска и исправления ошибок
Масштабируемое управление большой квантовой системой
- Управление всей системой как единым инструментом благодаря глобальной синхронизации времени и низкой задержке передачи данных между устройствами
- Мощный программный интерфейс, поддерживающий работу с высокоуровневыми языками квантового программирования

Структурная схема системы QCCS

Характеристика и калибровка кубитов

Задача:

Определение частоты каждого кубита и его считывающего резонатора, характеристика производительности кубита и оптимизация точности однократного считывания.

Предлагаемое решение:

Квантовый анализатор SHFQA имеет специальный режим для высокоскоростной резонаторной спектроскопии и мультиплексного считывания кубитов. Это позволяет быстро находить частоты кубитов и их резонаторов, а также считывать их состояния с высокой точностью.

Генератор сигналов SHFSG использует технологию двойного супергетеродинного преобразования частот, благодаря чему может управлять ультрабыстрыми однокубитными вентилями. Ультралинейные импульсы SHFSG обеспечивают точное управление кубитами, что минимизирует ошибки при выполнении квантовых операций.

Калибровка множества кубитов может выполняется автоматически, что значительно ускоряет процесс для крупных квантовых схем. Благодаря интегрированному, линейному и широкополосному преобразованию частот для каждой линии управления и считывания требуется только один СВЧ кабель.

Генератор сигналов SHFSG

4/8 каналов
Диапазон частот DC – 8,5 ГГц
Полоса пропускания 1 ГГц

Квантовый анализатор SHFQA

2/4 каналов
Частоты до 8,5 ГГц
Мгновенная полоса пропускания 1 ГГц
16/8 комплексных каналов считывания

Высокоточная работа квантовых вентилей

Задача:

Оптимизация точности работы вентилей, запуск сложных квантовых алгоритмов, в том числе с коррекцией ошибок, характеристика их производительности и ограничений.

Предлагаемое решение:

Генератор сигналов SHFSG охватывает диапазон частот от постоянного тока до 8,5 ГГц, что обеспечивает гибкость в управлении кубитами. Двойное супергетеродинное преобразование уменьшает шумы и искажения сигнала. Благодаря особой технологии также отпадает необходимость калибровки смесителей, что упрощает работу и повышает точность вентилей. Многоканальный генератор произвольных сигналов HDAWG имеет высокую выходную мощность 18 дБм, а также низкий фазовый шум. В сочетании с опцией предварительной компенсации в реальном времени HDAWG-PC, HDAWG становится идеальным генератором потоковых импульсов для высокоточных двухкубитных вентилей.

Квантовый анализатор SHFQA

2,4 Гвыб/с, 16 бит, 750 МГц
Масштабирование до 144 каналов
Задержка между триггером и выходом <50 нс

Быстрая обратная связь для активного сброса и глобального поиска и исправления ошибок

Задача:

Увеличение производительности алгоритма за счет улучшенной инициализации кубита и исправления ошибок.

Предлагаемое решение:

Высокая скорость обратной связи достигается благодаря быстрому мультиплексному считыванию кубитов и минимальным задержкам при передаче данных между устройствами. Коммуникация устройств для больших систем, содержащих вплоть до 100 кубитов и более, происходит через ZSync с помощью PQSC. Благодаря высокой скорости коммуникации принятие решений может осуществляться на основе текущего состояния системы в реальном времени. PQSC не только предоставляет готовые схемы обнаружения и исправления ошибок, но и позволяет разрабатывать и запускать пользовательские алгоритмы через FPGA.

Квантовый анализатор SHFQA

Масштабирование квантовой системы до 144 СВЧ каналов
Автоматическая синхронизация устройств
Обратная связь между устройствами <550 нс

Заключение

Разработанная Zurich Instruments система QCCS предоставляет мощные средства для работы с квантовыми процессорами, в том числе масштабируемыми квантовыми компьютерами на сверхпроводящих кубитах. Благодаря таким устройствам, как HDAWG, SHFSG, SHFQA и PQSC достигается высокая точность квантовых операций, надежное и быстрое считывание состояния кубитов, улучшенная коррекция ошибок за счет внедрения эффективной обратной связи. Эти характеристики делают QCCS подходящим решением для управления большими сложными квантовыми системами, нацеленными на решение практических задач квантовых вычислений.

Компания INSCIENCE является поставщиком решений в области управления квантовыми вычислениями

Теги квантовые вычисления Zurich Instruments

Новые статьи

Пространственно-разрешенная регистрация переходных процессов времени жизни флуоресценции

В статье описывается метод регистрации динамики времени жизни флуоресценции с одномерным пространственным разрешением. Для визуализации времени жизни флуоресценции используется многомерный время-коррелированный счет фотонов и линейное сканирование.

Обзор компактных источников суперконтинуума LEUKOS для биомедицинских приложений

В обзоре рассматриваются компактные источники суперконтинуума LEUKOS УФ, видимого и ИК диапазонов, созданные для приложений проточной цитометрии, CARS-микроскопии и оптической когерентной томографии. Преимущества данных источников: компактность, надежность, стабильность и низкая стоимость.

Масштабируемый детектор одиночных фотонов с улучшенной эффективностью и разрешением по числу фотонов

В статье представлен 28-пиксельный сверхпроводящий нанопроволочный детектор одиночных фотонов (SNSPD) с параллельной архитектурой. Новая технология предлагает масштабируемое решение для квантовых сетей и высокоскоростных квантовых вычислений, сочетая удобство работы с высокой производительностью.

Матрица оптических пинцетов с 6100 когерентными кубитами

В исследовании описывается создание матрицы оптических пинцетов для удержания 6100 нейтральных атомов в качестве когерентных кубитов. На экспериментальной платформе достигнуто рекордное время когерентности 12,6 секунд и время удержания атомов при комнатной температуре до 23 минут.

Сравнение наносекундных лазеров СОЛАР ЛС и Litron Lasers

В обзоре сравниваются наиболее востребованные модели наносекундных лазеров производства Litron Lasers и СОЛАР ЛС, в том числе лазеры с модуляцией добротности с высокой и сверхвысокой энергией импульса, высокой частотой повторения импульсов, компактные лазеры и лазеры с диодной накачкой.

Оптимальная обработка полипропиленовых пленок ИК лазерами

В работе экспериментально демонстрируется повышение качества и скорости обработки полипропиленовых пленок за счет небольшого смещения длины волны CO₂ лазера со стандартных 10.6 мкм в область 10.2 мкм, соответствующую колебательной энергии растяжения связи С-С.