QCCSシステムコントロール
Zurich InstrumentsのQCCSは、モジュラー・システム・コントロール方式を採用しています。すなわち、セットアップの規模や量子ビット技術に応じて、異なる機器を組み合わせて1つのシステムとして制御することができます。QCCS内のコンポーネントの種類及び個数は、要求の変化に応じて調整することができ、1つのソフトウェア・インターフェースを介して1つのシステムとして同期して制御することができます。これにより、セットアップの煩雑さや制御の手間が軽減され、ユーザーは、実装やシステムのキャリブレーション、個々のハードウェア設定のプログラミングにかかる時間を短縮して、量子コンピューティングの研究に集中することができます。また、量子デバイスの稼働率を最大化するために、制御ソフトウェア内でタスクの並列化やキュー化ができるのも、このシステム制御手法の大きな利点です。
QCCSでは、以下のことが可能です。
- 回路レベルおよびゲートレベルのソフトウェア開発キット（SDK）を使用して、量子コンピュータをアプリケーションソフトウェアにドッキングさせ、リモートコンピュータ、研究環境でのローカルネットワーク、クラウドで利用可能にすることができます。
- パルスレベルやサンプルレベルのアクセスを利用して、誤り訂正プロトコル、表面符号、ランダム化ベンチマークなど、個々の量子情報処理研究を行うことができます。
どちらのアプローチも、LabOne QCCS Softwareのアーキテクチャによってサポートされており、迅速な立ち上げ、頻繁なキャリブレーション、カスタマイズが可能です。
フル量子スタック
量子スタックは、ハードウェアとソフトウェアを1つのモデルにまとめたものです。このスタックへの入り口は、量子コンピュータのユーザーにより異なります。理論物理学者は、量子コンパイラやアセンブラのコードに興味を持ち、実験物理学者は、これらのアルゴリズムがハードウェア上でどのように実装され、結果がどのように処理されてユーザーに返されるのかを知りたい場合があります。量子スタック内のハードウェア設定、タイミング、データの情報の流れは、慎重に構成され、制御されなければなりません。これにより、同時性と並列性が保証され、スタックへの各エントリーポイントで正しい情報が提供される理想的なユーザーエクスペリエンスが実現します。
システム アーキテクチャ
量子コンピューティング制御システム（QCCS）は、Zurich Instrumentsのソフトウェアとハードウェアを1つのシステムにまとめ、高レベルの量子アルゴリズムと物理システムからのアナログ信号を効率的に接続します。QCCSのハードウェアは以下のように構成されています。
- PQSCプログラマブル量子システムコントローラは、最大18台のHDAWGを同期・制御します。
- UHFQA Quantum Analyzerは、最先端のフィルター技術により、最大10量子ビットを同時に読み出すことができます。
- HDAWG任意波形発生器は、量子ビットの制御に適したコンパクトな8チャンネル高密度AWGです。
- SHFSG信号発生器は、低ノイズのマイクロ波パルスを出力し、ミキサーのキャリブレーションなしに高忠実度の量子ビット制御を実現します。
- SHFQA量子アナライザは、最大64個の超伝導量子ビットまたはスピン量子ビットのフルリアルタイム読み出しが可能です。
- HDIQ IQ変調器は、外部の中周波ソースからの信号をマイクロ波周波数に変換します。
ソフトウェア アーキテクチャ
Zurich InstrumentsのQCCSソフトウェアは、パルスレベルのアクセスを基本的な抽象化レイヤーおよびシステム全体へのエントリーポイントとしてユーザーに提供します。パルスレベルの抽象化により、パルスのパラメトリックな制御、リアルタイムおよびニアタイムでのダイナミックなパルスの更新、さらに高いレベルでのユーザー定義のパルスライブラリへのコールバックなどが可能になります。単一の量子ゲートや完全な量子回路は、個々のユーザー定義のパルスと最適化されたパルスの組み合わせをテンプレートとして表現でき、複数の量子情報処理実験に再利用することができます。
量子情報処理実験は、QCCSソフトウェアのインターフェースにおいて、Pythonによるドメイン固有言語（DSL）で表現することも、言語に依存しないデータ形式（JSON）で直接表現することもできます。QCCSソフトウェアのインターフェースは、PythonとJSONでは命令型ではなく宣言型のフォーマットを採用しており、Zurich Instrumentsのソフトウェアとお客様のソフトウェアを明確に分離し、デバッグを容易にしています。QCCSソフトウェアのバックエンドは、Zurich Instrumentsの各製品やサードパーティのデバイスのプログラミングや同期、実験の実行、測定結果の取得などを行います。
Zurich Instrumentsの量子コンピューティング制御機器を用いたゲートレベル制御、高速起動、キャリブレーション実験への移行は、Python Jupyter notebooksとJSON schemataによる豊富なサンプルセットによって保証されています。
他の量子フレームワークとのインターフェース
量子コンピュータの可能性を最大限に発揮するためには、他の量子フレームワークとの連携が不可欠です。Zurich InstrumentsのQCCSソフトウェアのパルスレベルのインターフェースは、ハードウェアの詳細を制限しつつ、必要に応じてサンプルごとの制御を可能にするため、アプリケーション固有のフロントエンドの実装に最適なインターフェースです。また、豊富なドキュメント、コード設計、サンプルにより、他のソフトウェアとの専用リンクを簡単に定義することができます。
Qiskit、QCoDeS、PycQEDは、現在利用可能な量子フレームワークの増えつつあるセットの一例です。QCCSソフトウェアインターフェースを使用すると、量子回路のコーディング、最適化、可視化のためのこれらの豊富なツールセットから直接メリットを得ることができます。QCCSソフトウェアインターフェースは、量子ハードウェアと古典ハードウェア間のワークフローを可能にし、結果、装置設定、環境パラメータ、アルゴリズムをデータベースに記録します。