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量子フィードバック計測

関連製品: HDAWG, UHFQA, SHFQA, SHFSG, SHFQC, PQSC

アプリケーションについて

量子フィードバック計測では、単発の量子ビット計測の結果を判断材料として、量子ビットに対する即時のフィードバック動作を行います。フィードバックのレイテンシーが短いほど、フィードバック操作のエラーレートが小さくなり、全体の量子情報処理操作の忠実度が高くなります。再現性を確保するためには、複数の機器を経由した場合でも、フィードバックループ全体が確実なタイミングで完了する必要があります。量子フィードバックは、量子ビットの迅速な初期化、量子状態の安定化、量子エラー訂正などの用途に使用されます。使用例は、測定とフィードバックの間に必要な信号処理の複雑さによって異なります。信号処理のステップは、デジタルビット情報の単純な転送から、エラー・シンドロームのデコーディングまで多岐にわたります。

Zurich Instrumentsの製品は、超伝導やスピン量子ビットの研究に必要とされるあらゆる構成をカバーしており、フィードバック速度と複雑さの処理の間の最良のトレードオフを確実に達成します。

第1世代のZurich Instrumentsの量子コンピューターコントロールシステム(QCCS)は、ベースバンドで生成される量子ビットの制御および読み出しに基づいています。第2世代のQCCSは、最大8.5 GHzのマイクロ波周波数で直接動作します。以下では、両世代の可能性と実装方法について説明します。

測定戦略ストラテジー

Feedback configurations with a QCCS of the first generation

図1:第1世代のQCCSで、イベントベース、ポイント・ツー・ポイント、PQSC対応のフィードバック操作を実現するための接続図。

Feedback configurations with a QCCS of the second generation

図2:第2世代のQCCSで、イベントベース、ポイント・ツー・ポイント、PQSC対応のフィードバック操作を実現するための接続図。

イベントベース:レイテンシー50 ns以下

図1aに示す最も高速なレイテンシのセットアップでは、TTLの立ち上がりエッジがHDAWG任意波形発生器のトリガー入力の1つに送られ、50 ns後に1組の出力にアナログ信号(ファーストサンプルアウト)が生成されます。この構成は、アクティブクビットリセットのように、1つの量子ビットの読み出し信号を特定の1つの量子ビットに意図的にフィードバックする場合に適しています。なお,TTL信号はサードパーティ製の機器から供給することも可能です。SHFSG信号発生器も、図2bに示すようにこの機能をサポートしていますが、待ち時間が約200 nsと長くなっています。

ポイント・ツー・ポイント:レイテンシー300 ns以下

図1bおよび図2bに示すこの構成では、1つの量子ビットの読み出し結果が、固定のポイント・ツー・ポイント接続を介して、同じ量子ビットの制御ラインにフィードバックされます。これは、アクティブリセットの使用例によくマッチしています。第1世代のQCCSでは、VHDCIケーブル(DIOリンク)を介してUHFQA量子アナライザをHDAWG任意波形発生器に接続することで、これを実現できます。DIOリンクは、最大10量子ビットの読み出し信号をデジタルビットとして転送します。この10ビットの情報は、8つのHDAWG出力信号の制御に使用できます。読み出しパルスの最後のサンプルがUHFQAの信号入力に入力されてから、制御パルスの最初のサンプルがHDAWGの波形出力に生成されるまでのレイテンシーは380 nsです。第2世代のQCCSでは、ポイント・ツー・ポイントのフィードバックループを機器内で直接実現することができます。SHFQC 量子ビットコントローラには制御と読み出しの機能が含まれており、フィードバックのレイテンシーはさらに300 nsにまで短縮されています。

PQSCに対応:レイテンシー550 ns以下

PQSC プログラマブル量子システムコントローラセントラルハブとして追加することで、システム内の任意の2つの量子ビット間のフィードバックが可能になりますマルチ量子ビットのデータをリアルタイムで、かつ途中のレイテンシーを抑えて処理することができます。この方法は、ポイント・ツー・ポイントのフィードバックよりも強力で、スケーラブルな量子コンピューティングや量子エラー訂正のための前提条件となります。図1cに示す第一世代のQCCSでは、複数のHDAWGがZSyncケーブルでPQSCに接続され、複数のUHFQAがVHDCIケーブル(DIOリンク)でHDAWGに接続されていました。各DIOリンク/ZSync接続は、UHFQAからPQSCへ最大10量子ビットの読み出し信号を転送できます。また、ZSync接続では、PQSCからHDAWGにビットワードが転送され、波形選択の判定入力として使用することもできます。最速のパスでは、UHFQAの最後のサンプル入力とHDAWGの最初のサンプル出力の間のレイテンシーは700 ns以下です。図2cに示す第2世代のQCCSでは、すべてのコンポーネントがZSyncを介してPQSCに直接接続され、レイテンシーは550 ns以下に短縮されています。

SHFQCによるローカルおよびグローバルフィードバック

大規模なシステムでは、ポイント・ツー・ポイントとPQSC対応のフィードバック機能を組み合わせることに価値があります。これにより、アンシラキュービットのリセットなどのローカルフィードバック動作や、エラー・シンドロームの復号・訂正などのグローバルフィードバック動作において、最適なレイテンシーを得ることができます。図3は、このような構成が第2世代のQCCSでどのように実現されるかを示しています。各SHFQCは、1本の読み出しラインに接続されたアンシラキュービットのサブグループの制御に使用されます。SHFSGを追加すると、量子回路の処理中にリセット操作を必要としないデータ量子ビットのためのさらなる制御ラインが可能になり、HDAWGは、量子ビットまたはカプラーの周波数を調整するためのフラックスパルスを供給します

Local and global feedback with the QCCS

図3:QCCSでローカルとグローバルの同時フィードバック動作を実現するための接続図。

Zurich Instrumentsを選ぶメリット

  • 低レイテンシー、スケーラビリティ、パワフルなリアルタイムデータ処理:量子フィードバック測定に必要なすべての重要な要件を同時に満たしています。
  • 上述のシナリオの中から、実験に最適な構成を選択できる柔軟性を活用できます。
  • FPGAプログラミングの広範な知識を必要とせず、最先端の実験手法を使用することができます。

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Publications

Andersen, C.K. et al.

Entanglement stabilization using ancilla-based parity detection and real-time feedback in superconducting circuits

npj Quantum Inf. 5, 69 (2019)

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