QCCS (Quantum Computer Control System) — это первая в мире коммерческая система контроля квантовых компьютеров производства Zurich Instruments, которая выпускается на рынок только в 2019 году. Создание квантового компьютера требует огромное количество усилить на многих уровнях. Ниже представлена грубая схема построения квантового стека, описывающая наиболее важные компоненты:

Компания Zurich Instruments с каждым годом увеличивает свое присутствие на рынке квантовой электроники. В 2019 году компания предлагает принципиально новый продукт — QCCS (Quantum Computer Control System). Zurich Instruments стремиться внести свой вклад в создание более совершенной электроники и ПО, которые позволят клиентам компании эффективно масштабировать большое количество кубитов без существенного усложнения системы. Точка зрения Zurich Instruments такова, что эффективное и хорошо организованное взаимодействие между отдельными инструментами является ключом эффективного соединения физической реализации кубитов с квантовыми алгоритмами высокого уровня. Zurich Instruments предлагает первую в мире коммерческую систему контроля квантовых компьютеров QCCS, которая эквивалентна целому слою «Classic System Control, Software & Hardware» в схеме построения квантового стека выше. Эта часть системы отвечает за надежное управление и измерение квантовых устройств, связывая аппаратную и программную часть и предоставляя ПО для слоев более высокого уровня.

Ключевые характеристики

• Спецификации оборудования соответствуют всем требованиям эксперимента: низкий уровень шума, высокое разрешение, широкая полоса частот;
• Возможность масштабирования: компактный дизайн и возможность добавления дополнительных каналов в любое время;
• Продуманный и опробованный системный подход: точная синхронизация и слаженная работа всех входных и выходных каналов;
• ПО, повышающее производительность: ПО LabOne эффективно объединяет квантовые алгоритмы высокого уровня с аналоговыми сигналами на физическом уровне.

Компоненты системы QCCS

• Программируемый квантовый системный контроллер (Programmable Quantum System Controller, PQSC), синхронизирующий и контролирующий до 18 HDAWG;
• Квантовый анализатор UHFQA, позволяющий считывать до 10 кубитов одновременно с использованием современных фильтрующих технологий;
• Генератор сигналов произвольной формы с высокой плотностью (High Density AWG, HDAWG) – компактный 8-канальный AWG для контроля кубитов;
• Кроссплатформенное ПО LabOne с API для LabVIEW, Python, C, MATLAB, .NET.

Контрольно-измерительная архитектура QCCS

О каждом из приборов, входящих в состав QCCS, вы можете прочитать в соответствующих разделах или перейдя по ссылкам.

The post Система контроля квантовых компьютеров QCCS first appeared on Cryotrade Engineering.

Ключевые характеристики

• Контроль до более чем 100 кубитов
• Синхронизация с 18 HDAWG, т.е. 144 выходных канала
• Задержка коммуникации менее 100 нс
• Программируемый доступ к FPGA Xilinx® UltraScale+ XCZU15EG-2I
• Кроссплатформенное ПО LabOne для управления системой
• API для LabVIEW, Python, C, MATLAB, .NET

Описание

Система PQSC поставляется с 18 разъемами ZSync для соединения с генераторами сигналов произвольной формы Zurich Instruments HDAWG для контроля кубитов и квантовым анализатором Zurich Instruments UHFQA для считывания кубитов. Масштабируемая архитектура поддерживает установки со 100 и более точно синхронизированными каналами AWG и обеспечивает контроль состояний для достижения качественной и надежной настройки работы кубитов.

Каналы ZSync распределяют системные часы на все инструменты внутри системы, позволяя достичь уровня синхронизации на субнаносекундном уровне. Более того, они обеспечивают двунаправленный интерфейс обмена данными: для отправки результатов считывания кубитов от PQSC к центральному процессору, и для отправки триггерных сигналов к вторичным инструментам для запуска синхронизированных действий.

Интерфейс ZSync имеет жестко заданный алгоритм работы с обработкой в реальном времени, а вся передача данных выполняется с точностью до одного такта. Это позволяет реализовать процедуры быстрой настройки, синдромное декодирование и коррекцию квантовой ошибки.

Управляющее ПО LabOne имеет высокоуровневый интерфейсм для работы со всеми инструментами, а также имеет API для LabVIEW, Python, C, MATLAB, .NET.

Области применения

• Сверхпроводящие кубиты
• Полупроводниковые спиновые кубиты
• Кубиты на захваченных ионах.

Спецификация

Общие параметры Размеры 45 × 35 × 10 см (для установки в 19-дюймовую стойку) Питание AC: 100 – 120, 220 – 240 В, 50/60 Гц FPGA Тип Xilinx® UltraScale+ XCZU15EG-2I Кол-во системных логических ячеек 747k CLB flip-flops 682k CLB LUTs 341k Секции DSP 3,528 Блочная RAM 26.2 Mb Ультра RAM 31.5 Mb Процессор и память Процессор приложений Quad ARM® Cortex TM-A53 до 1,333 МГц Процессор для обработки данных в РМВ Dual ARM® Cortex TM-R5 до 533 МГц SDRAM 4 ГБ DDR4 с ECC  Часы Входная частота Автоматически определяемая 10 МГц / 100 МГц Связь на входе 50 Ом, SMA разъем Выходная частота Переключаемая 10 МГц / 100 МГц Выходная амплитуда >1 Vpp на 50 Ом Разъемы и другое Разъемы для соединения с компьютером LAN / Ethernet, 1 Гбит/c; USB 3.0 JTAG через USB 2.0 для доступа к Xilinx® ChipScope Разъемы для соединения с инструментами 18 разъемов VSync Коммуникационная полоса ZSync Нисходящий поток 200 МБ/с, восходящий – 100 МБ/с Коммуникационая задержка ZSync Менее 100 нс Триггеры 2 триггерных входа, 2 триггерных выхода Цифровой вход/выход 3.3 В TTL на разъеме SMA 32 бит, 3.3 В TTL универсальный

The post Программируемый контроллер квантовых систем PQSC first appeared on Cryotrade Engineering.

Ключевые характеристики

• Измерительный диапазон 1.8 GSa/s, ±600 МГц
• Параллельное считывание до 10 кубитов
• 12-битный двухканальный ввод
• 14-битный двухканальный генератор сигналов произвольной формы
• Конфигурируемые согласованные фильтры, обработка сигнала, подавление перекрестных помех, пороговые операции
• Кроссплатформенное ПО LabOne для управления системой
• API для LabVIEW, Python, C, MATLAB, .NET

Описание

Быстрое считывание с высокой точностью

В UHFQA реализованы импульсные измерения для определения передаваемой тестируемым прибором амплитуды и фазы. Доступны два метода для повышения отношения «сигнал/шум»: формирование импульсов и согласование фильтров. Формирование импульсов с помощью встроенного генератора сигналов произвольной формы позволяет минимизировать время сбора данных даже при тестировании устройств с медленным откликом. Шаговый отклик от цифровых фильтров UHFQA можно привязать к переходной характеристике устройства за счет программирования весовых функций размером до 4 kSa для каждого фильтра. По сравнению с простой невзвешенной интеграцией, использование согласованных фильтров позволяет значительно поднять соотношение «сигнал/шум».

Масштабируемая квантовая установка

Измерение 10 кубитов на одной длине волны позволяет оптимизировать криогенную цепь измерений. Конфигурируемый обработчик сигнальной матрицы 10х10 позволяет выполнять систематическое подавление перекрестных помех и, как следствие, снижение требований по допускам при изготовлении системы. В сочетании с прибором HDAWG, несколько UHFQA объединяются в полностью синхронизированный инструментальный слой для контроля кубитов и считывания квантовых данных. 32-битный DIO интерфейс с низким значением задержки позволяет прямую связь с многокубитной схемой для использования различных методов коррекции квантовых ошибок.

Программное обеспечение для квантовых задач

UHFQA управляется с помощью ПО LabOne с API для LabVIEW, Python, C, MATLAB, .NET. Расширенная библиотека примеров в Python позволяет легко интегрировать систему в имеющуюся архитектуру. Благодаря структурированию и функционалу обработки данных, предоставляемых LabOne Data Server, пользовательская часть ПО является весьма компактной и легко настраиваемой.

Спецификация

The post Сверхвысокочастотный квантовый анализатор UHFQA first appeared on Cryotrade Engineering.

Ключевые характеристики

• Двухканальный 600 МГц генератор сигналов произвольной формы
• 14-битное разрешение, 2 маркера на канал
• Память для сигналов – 128 MSa на каждый канал
• Амплитудная модуляция с внутренним и внешним фазовым референсом
• Два 600 МГц ввода сигналов с осциллоскопом и опционально доступными функциями: демодуляции, счетчика импульсов и схемой усреднения с узкополосным фильтром (boxcar averager)
• Кросс-триггерная платформа для задания последовательности условий и триггеров с малым значением задержки

Преимущества для пользователя

• Интуитивно понятный язык программирования UHF-AWG позволяет начать работу быстро и эффективно
• Контроль генерации и детектирования импульсов из единого интерфейса позволяют существенно снизить сложность установки
• Параметрический свипер (по параметрам задержки, амплитуды, частоты, фазы и др) позволяет максимально автоматизировать измерения
• Снижение времени ожидания за счет быстрой передачи длинных фазово-когерентных паттернов благодаря модуляции и очередности
• Простая реализация протоколов прямой и обратной связи без программирования FPGA

Основные моменты

UHF-AWG может воспроизвести сигнал любой формы из программируемой пользователей памяти объемом 128 MSa на каждый канал. Высокоуровневый компилятор, интегрированный в LabOne, объединяет в себе инструменты для создания и редактирования формы выходных сигналов и их последовательностей и дает возможности конфигурирования всех программных инструментов, что позволяет обеспечить высокую эффективность работы.

Более того, UHF-AWG имеет два 600 МГц ввода сигналов и набор инструментов, обеспечивающих разнообразные синхронные и асинхронные методы детектирования. Кросс-триггерная платформа дает возможность использования двухсторонних триггеров между AWG и внутренним модулем детектирования, заменяя обычную систему внутренних триггеров, используемую в традиционных схемах. Это позволяет исключить сложную методику синхронизации отдельных приборов, отвечающих за генерацию и распознавание сигнала. Вместо этого процедура измерения контролируется из одной программы AWG, как показано на рисунке на следующей странице.

Кросс-платформенный пользовательский интерфейс LabOne имеет обширный набор инструментов для выполнения измерений и их последующего анализа. Благодаря использованию параметрического свипера изменения параметров в зависимости от таких характеристик сигнала, как амплитуда, задержка или несущая частота, могут быть легко сделаны в автоматическом режиме. Плоттер позволяет визуализировать непрерывный поток измерений, а также отслеживать эффект изменения параметров AWG. Запись триггеров доступна при помощи двух инструментов – встроенного осциллоскопа либо программного триггера, что позволяет удобно использовать наиболее часто применяемые условия в AWG экспериментах. Программируемый интерфейс LabOne для Python, LabVIEW, MATLAB и C позволяют простую и быструю интеграцию в уже имеющееся у пользователя ПО.

Окно редактора последовательностей с программой AWG, включающей в себя генератор формы сигналов, контроль многоразрядного цифрового вывода, а также динамическое изменение несущей частоты

Аналоговые и цифровые AWG сигналы, сгенерированные в программе, представленной на изображении слева. Сбор данных (в данном случае – гомогенное детектирование) выполнялось синхронно с генерированием сигнала

Описание

Генерация и модуляция сигналов

UHF-AWG может работать в режиме прямого вывода или в режиме амплитудной модуляции.

В первом случае генерируемые сигналы подаются напрямую на выводы с DC-связью. Память для сигналов объемом 128 MSa и 14-битный, 1.8 GSa/s ЦАП обеспечивают генерацию импульсов в высоком разрешении для воспроизведения широкого диапазона условий, необходимых для эксперимента, а также для компенсации искажений, возникающих в тракте.

В режиме амплитудной модуляции каждый AWG канал формирует синусоидальный сигнал, генерируемый внутренним осциллятором. Это оптимизирует генерацию фазово-когерентных импульсных паттернов с использованием секвенсора и генератора огибающих, позволяя избавиться от загрузки в память полной формы сигнала. В результате экономится время и увеличивается пропускная способность. Изменение несущей частоты помогает в экспериментах, где требуется много изменений частоты или фазы. В таких областях применения, как ЯМР спектроскопия, где требуется применение длинных паттернов (на всей полосе в 600 МГц), пользователь может уменьшить объем загружаемых данных за счет определения сигнала с более низкой частотой дискретизации по сравнению с финальной.

Внутренние осцилляторы UHF-AWG являются референсными как для генерации, так и для детектирования сигнала, что делает данный прибор идеальным для использования генератора сигналов в качестве импульсного радара. Два цифровых маркера сигналов на канал могут быть сгенерированы с тем же временным разрешением, что и аналоговый сигнал в обоих режимах работы.

Схемы детектирования

UHF-AWG может использовать сразу несколько модулей детектирования: • Демодулятор: для фазово-чувствительного детектирования в наиболее широкой в своем классе полосе 5 МГц для импульсных ВЧ экспериментов; • Счетчик импульсов: для обработки PMT или подобных импульсных сигналов частотой до 225 МГц; • Осциллоскоп и диджитайзер: для визуализации реакции системы на изменение параметров генерации импульсов; • Анализатор спектра с поддержкой высокого разрешения по частоте, необходимого, например, в ЯМР спектроскопии. Схема установки на следующей странице и таблица доступных опций на в конце настоящей брошюры позволяют подобрать конфигурацию системы, которая будет полностью соответствовать всем требованиям эксперимента пользователя.

Последовательность ветвлений и прямая связь

Благодаря возможностям по использованию ветвления, UHF-AWG может изменять форму следующего сигнала в соответствии с внешними (например, по состоянию 32-битного цифрового входа) или внутренними (например, согласно значению квадратуры демодулированного сигнала) условиями. Диаграмма, показывающая путь сигнала в протоколе обратной связи, расположенная в конце следующей страницы, иллюстрирует гибкость в определении условий ветвления для соответствий требованиям различных экспериментов. Достижение субмикросекундного времени прямой связи важно для некоторых команд секвенсора, а также устраняет необходимости управления низкоуровневой цифровой обработки сигналов.

Типичные области применения для генератора сигналов произвольной формы UHF-AWG, и схемы подключения образцов в этих экспериментах

Схема установки UHF-AWG. Оранжевым цветом выделены доступные для приобретения опции (см. след. страницу). UHF-AWG доступен как отдельный инструмент либо как опция улучшения для синхронного усилителя UHFLI

Спецификация

Диаграмма, показывающая путь сигнала для протокола быстрой обратной связи. Латентность обратной связи менее 1 мкс достигается за счет протокола, включающего в себя демодуляцию и условия последовательного ветвления. Прямая задержка AWG триггера – менее 150 нс

The post Генератор сигналов произвольной формы UHFAWG first appeared on Cryotrade Engineering.