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Quantum Computing mit supraleitenden Qubits

Verwandte Produkte: QCCS, HDAWG, UHFQA, PQSC

Anwendungbeschreibung

Quantum Computing mit Supraleitern ist eine der vielversprechendsten Technologien für die Realisierung von skalierbaren Quantencomputern. In den letzten zwei Jahrzehnten wurden enorme Fortschritte erzielt, wobei weltweit in Universitätslaboratorien, Regierungsinstituten und einer wachsenden Anzahl von Privatunternehmen große Fortschritte gemeldet wurden. Da die Forschung und Entwicklung in diesem Bereich immer schneller voranschreitet, müssen sich die einzelnen Akteure auf ihre Kernkompetenzen konzentrieren - Qubit-Fertigung, Qubit-Charakterisierung oder Algorithmen-Design.

Zurich Instruments hat sich zum Ziel gesetzt, das weltweit erste kommerzielle Quantencomputing-Kontrollsystem (QCCS) anzubieten, das auf bis zu 100 Qubits und mehr skalieren kann. Das QCCS enthält die Hard- und Software, die benötigt wird, um physikalische Qubits (wie supraleitende Schaltkreise) mit den höheren Ebenen im Quanten-Stack zu verbinden, die definieren, welche Programme auf dem Quantencomputer laufen.

Welche Herausforderungen helfen wir unseren Kunden zu meistern?

  • Qubit-Steuerung: extrem rauscharme Steuerimpulse mit einer Zeitauflösung von Sub-Nanosekunden und Echtzeit-Vorkompensation für einen High-Fidelity-Gate-Betrieb.
  • Qubit-Auslesung: schnelles, High-Fidelity-Auslesen mehrerer Qubits und Echtzeit-Feedback mit geringer Latenz.
  • Quantenprogrammierung: leistungsstarke Software-Schnittstelle, kompatibel mit führender High-Level-Quantenprogrammier-Software.
  • Skalierbares Quantum Computing: Systemweite Timing-Synchronisation und Kommunikation mit geringer Latenz zwischen den Geräten.

Messverfahren

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

Das QCCS repräsentiert den Stand der Technik für die Steuerung supraleitender Quantenprozessoren. Es bietet Anwendern ein vollständig programmierbares System - bestehend aus dem HDAWG, dem UHFQA und dem PQSC - mit der LabOne®-Benutzeroberfläche und APIs für Python, C/C++, MATLAB®, LabVIEW™ und .NET. Zu den wichtigsten Funktionen gehören Qubit-Charakterisierung und -Initialisierung, Gatterbetrieb, Auslesen sowie algorithmische Verzweigung.

Inbetriebnahme

  • Aufgabe: Charakterisieren des Rauschverhaltens der Verstärkungskette und optimieren des Signal-Rausch-Verhältnis (SNR).
  • Merkmale: Das UHF FFT Scope garantiert ein SSB-Phasenrauschen unter -155 dBc/Hz für die Rauschcharakterisierung. Technische Unterstützung ist für Labber und QCoDeS verfügbar.
  • Vorteile: Reduzieren Sie die Komplexität Ihres Aufbaus - es ist kein Wechsel der Messgeräte zwischen Bring-up und anderen Experimentierphasen erforderlich.

Um das Rauschverhalten von Verstärkern zu optimieren, ist ein Spektrumanalysator mit geringem Phasenrauschen erforderlich. Mit seinem integrierten rauscharmen FFT-Scope ist der UHFQA-Quantenanalysator sowohl für das Bring-up als auch für nachfolgende Experimentierschritte geeignet. So entfällt das manuelle Umstecken oder automatisierte Umschalten. Treiber für Labber und QCoDeS werden auch auf dem QCCS vollständig unterstützt.

Charakterisierung und Kalibrierung

  • Aufgabe: Finden jedes Qubits und jeder Resonatorfrequenz, Mischerkalibration, Charakterisieren der Qubits und Optimieren der Single-Shot-Quantenmessung.
  • Merkmale: Zwei Auslesemodi des UHFQA sind für die Spektroskopie und das Multiplex-Auslesen vorgesehen. Die direkte digitale Qubit-Ausgabe aus dem UHFQA erfordert keinen Up- oder Download von Daten zu oder von Ihrem Computer. Die geringe Latenzzeit ermöglicht einen schnellen Feedback-Betrieb.
  • Vorteile: Profitieren Sie von der schnellen und automatisierten Kalibrierung für skalierbare supraleitende Schaltungen sowie von den schnell aktualisierten Softwarefunktionen und der umfangreichen Programmierunterstützung.

Die Charakterisierung und Kalibrierung einer großen supraleitenden Schaltung kann sehr zeitaufwendig sein; noch wichtiger ist die schnelle Ausgabe von Multi-Qubit-Zuständen nach dem Auslesen, die für bedingte Rückkopplungsoperationen unerlässlich ist. Mit dedizierten Messmodi für Spektroskopie und Multiplex-Auslesung vereinfacht der UHFQA den Prozess und gibt digitale Qubitzustände direkt aus.

Ausführen von Quantenalgorithmen

  • Aufgabe: Optimierung der Qubit-Gate-Güte, Ausführen komplexer Quantenalgorithmen mit oder ohne Fehlerkorrektur und Charakterisierung deren Leistung und Grenzen.
  • Merkmale: Die mehrkanaligen Arbitrary Waveform Generator-Ausgänge des HDAWG bei 5 Vss mit geringem Phasenrauschen ermöglichen Gattertreue jenseits von 99,9%. Die Option HDAWG-PC Echtzeit-Vorkompensation hilft bei der Minimierung von Leckagen in höhere Qubit-Zustände für Zwei-Qubit-Gatter mit hoher Gattertreue. Multi-Device-Kommunikation mit geringer Latenz ist über eine DIO-Verbindung für kleine Systeme (1 HDAWG + 1 UHFQA) und über ZSync für Systeme bis zu 100 Qubits (1 PQSC + n HDAWG + m UHFQA) möglich.
  • Vorteile: Das QCCS ist ein Hochleistungsprodukt, das für wachsende Ambitionen geeignet ist.

Die Realisierung komplexer Quantenalgorithmen ist auf universelle Ein- und Zwei-Qubit-Gatter mit hoher Zuverlässigkeit angewiesen. In supraleitenden Systemen kann die Wiedergabetreue von Zwei-Qubit-Gattern durch das Flux-puls Rauschen begrenzt sein. Das exzellente Rauschverhalten des HDAWG ermöglicht Gattertreue von 99,9 %, während Leckagen in höhere Qubit-Zustände dank der HDAWG-PC Echtzeit-Precompensation minimiert werden können. Die Multi-Device-Kommunikation über DIO- oder Trigger-Ausgang sowie die Kompatibilität mit High-Level-Quantenprogrammiersprachen wie Qiskit machen das QCCS zu einem skalierbaren System und zur idealen Wahl für eine große supraleitende Schaltung, die auf praktisches Quantum Computing abzielt.

Vorteile mit Zurich Instruments

  • Profitieren Sie von der Pionierarbeit unserer Projektpartner Prof. Andreas Wallraff (ETH Zürich, Schweiz) und Prof. Leo DiCarlo (TU Delft, Niederlande), wie in diesem Interview beschrieben.
  • Profitieren Sie von der starken technischen Unterstützung durch unsere Quantencomputer-Spezialisten, die über jahrelange Erfahrung im Umgang mit supraleitenden Qubits verfügen.
  • Das QCCS steht für eine bewährte Lösung mit einer Erfolgsbilanz von hochwertigen Publikationen (siehe unten).
  • Alle experimentellen Schritte werden mit dem QCCS berücksichtigt: Bring-up, Charakterisierung, Kalibrierung und Berechnung.
  • Sparen Sie Zeit mit umfassenden Softwarepaketen: leistungsstarke Benutzeroberfläche, virtualisierter Programmierfortschritt und kontinuierlicher Software-Support und Updates (für LabOne und die APIs).
  • Nehmen Sie das QCCS in Ihre Roadmap für die Integration von High-Level-Quantum-Stack-Software auf, z. B. Qiskit.

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Videos

Qubit-Steuerung für 100 Qubits und mehr

Zurich Instruments - Qubit control for 100 qubits and more

AWG Echtzeit-Vorkompensation

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

Collodo, M.C. et al.

Implementation of Conditional-Phase Gates based on tunable ZZ-Interactions

arXiv

Bengtsson, A. et al.

Quantum approximate optimization of the exact-cover problem on a superconducting quantum processor

arXiv

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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