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超导量子计算

相关产品: QCCSHDAWGUHFQAPQSCHDIQ

应用简介

超导量子计算是实现可扩展量子计算机最有前途的技术之一。在过去的二十年中,超导量子计算取得了巨大的进步。全球范围内的大学实验室,政府机构和越来越多的私营公司均相继报导了很多重要的进展。随着该领域研究的高速发展,各参与者更加致力于各自的核心竞争力:量子芯片制造,量子芯片表征或量子算法设计。

苏黎世仪器 (Zurich Instruments) 致力于提供全球首个可扩展至 100 量子比特的商用量子计算控制系统 (QCCS)。 QCCS 包含将物理层的量子比特(比如超导电路)连接到量子堆栈中的更高层(定义在量子计算机上运行哪些程序)所需的硬件和软件。

我们可以帮助客户应对哪些挑战?

  • 量子比特控制:具有亚纳秒级时间分辨率和实时预补偿功能的超低相位噪声的控制脉冲,以实现高保真度量子门操作。
  • 量子态读出:多量子比特量子态的快速,高保真度读取和低延迟的实时反馈。
  • 量子编程:通过功能强大的软件接口实现仪器控制,并与领先的高级量子编程软件兼容。
  • 可扩展的量子计算系统:系统范围内所有仪器的时序同步和仪器间的低延迟通信。

测量方案

Multi-qubit setup with PQSC, UHFQA, HDAWG and HDIQ

QCCS 是控制超导量子处理器的最新技术。它向用户提供一个完全编程的系统,包括硬件仪器,任意波形发生器 HDAWG,量子分析仪 UHFQA 和可编程量子系统控制器 PQSC,及控制软件 LabOne® 用户图形界面  (GUI) 和 应用程序接口 APIs (Python,C/C++,MATLAB®,LabVIEW 和 .NET)。QCCS 的主要用途包括量子芯片表征和初始化、量子门操作、读出和分支反馈。

启动测量

  • 任务:表征放大器链路的噪声性能,并对其进行优化以获得最佳信噪比(SNR)。
  • 特点:UHF 示波器的 FFT 模块具有极底的本底单边带相位噪声 < -155 dBc/Hz,适用于常温和低温放大器的噪声表征。我们提供 Labber 和 QCoDeS 的仪器驱动, 适用于不同用户的需求。
  • 优势:降低设置的复杂度,无需在启动阶段和其他实验阶段之间切换仪器。

为了优化放大器的噪声性能,测量噪声所使用的频谱分析仪必需具有极低的本底相位噪声。UHFQA 量子分析仪 凭借其集成的低噪声 FFT 功能, 既适用于启动测量实验,也适用于后续的实验。这一特性大大提高了实验的可自动化程度。我们还支持 QCCS 的 Labber 和 QCoDeS 的驱动程序。

表征和校准

  • 任务:校准每个量子比特和谐振器的频率,校准混频器,表征量子比特的性能,并优化量子比特单次读出的保真度。
  • 特点:UHFQA 的两种量子态读取模式是专为频谱测量和多路复用读出而设计的。运用 UHFQA,用户可以直接让仪器输出数字量子比特的态  (0 或 1), 而无需在仪器和计算机之间传输数据来后处理数据。更为突出的是,其极低的仪器间量子态甄别和传输的延迟可使用户实现快速反馈操作。
  • 优势:可扩展超导电路的自动测量和校准,快速更新的软件功能和广泛的编程支持。

大型超导电路的表征和校准通常是非常耗时的。此外,量子电路的条件反馈操作要求在量子态读出后快速输出其结果。通过独特设计的频谱测量模式和多路复用读取功能,UHFQA 大大地简化了量子态数字化的过程。

量子计算

  • 任务:优化量子门的保真度,运行包含或不包含纠错功能的复杂量子算法,并表征其性能和极限。
  • 特点HDAWG 多通道任意波形发生器的输出为 5 Vpp,其超低的相位噪声使实现保真度超越 99.9% 的量子门操作成为可能。 HDAWG-PC 实时预补偿选件可在最大程度上减少高保真两量子比特门的量子信息到高量子态的泄漏。QCCS 的多台仪器之间可以实现多设备通信。对于几个量子比特的系统 (1 HDAWG + 1 HDIQ + 1 UHFQA),多设备通信是通过 DIO 接口实现的,对于高达100 个量子比特(1 PQSC + n HDAWG + k HDIQ + m UHFQA)的系统,用户可通过 ZSync 实现低延迟的多设备通信。
  • 优势:QCCS 是一款高性能的产品,并不断创新以引领行业发展,满足用户不断增长的需求。

复杂量子算法的实现依赖于高保真的通用单量子比特和两量子比特门。在超导量子系统中,两量子比特门的保真度可能受到门控方波脉冲噪声的限制。 HDAWG 出色的噪声性能可使用户实现 99.9% 的门保真度。此外,HDAWG-PC 实时预补偿选件可最大程度地降低两比特门中量子信息的泄漏。HDIQ IQ 调制器用于频率上转换功能,与 HDAWG 配合使用,用户可大幅度提高实验的自动化程度。多设备通信功能,和与 Qiskit 等高级量子编程语言的兼容性,使 QCCS 成为完全可扩展的系统,因而成为实现大型超导量子计算的理想选择。

选择苏黎世仪器的优势

  • 受益于我们的项目合作伙伴 Andreas Wallraff 教授(瑞士苏黎世联邦理工大学ETH)和 Leonardo DiCarlo 教授(荷兰代尔夫特大学TU Delft)的开拓性工作。详情见访谈记录
  • 受益于我们的量子计算专家提供的强大技术支持,他们拥有多年从事超导量子比特工作的第一手经验。
  • QCCS 作为已经验证解决方案,被多篇高影响因子文章引用(请参见下文)。
  • QCCS 考虑了所有的实验阶段:启动,表征,校准和计算。
  • 全面的软件包使您节省更多的时间:强大的用户图形界面,视觉化的编程过程以及持续的软件支持和更新(LabOne 和 APIs)。
  • 将 QCCS 添加到您的研究计划蓝图,以集成高级量子堆栈软件 (比如Qiskit),实现实用型量子计算机。

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视频

100 个或更多量子比特的量子控制

Zurich Instruments - Qubit control for 100 qubits and more

AWG 实时预补偿

AWG Real-time precompensation

Application Notes

Zurich Instruments

Frequency Up-Conversion for Arbitrary Waveform Generators

Zurich Instruments

Superconducting Qubit Characterization

Zurich Instruments

Active Reset of Superconducting Qubits

Zurich Instruments

Bell State Preparation of Superconducting Qubits

Publications

Bengtsson, A. et al.

Improved success probability with greater circuit depth for the quantum approximate optimization algorithm

Phys. Rev. Applied 14, 034010 (2020)

Rol, M.A. et al.

Time-domain characterization and correction of on-chip distortion of control pulses in a quantum processor

Appl. Phys. Lett. 116, 054001 (2020)

Rol, M.A. et al.

Fast, high-fidelity conditional-phase gate exploiting leakage interference in weakly anharmonic superconducting qubits

Phys. Rev. Lett. 123, 120502 (2019)

Bultink, C.C. et al.

General method for extracting the quantum efficiency of dispersive qubit readout in circuit QED

Appl. Phys. Lett. 112, 092601 (2018)

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