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
