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QCCS-Systemsteuerung

Übersicht

Das QCCS von Zurich Instruments verfolgt einen modularen Systemkontrollansatz. Dies bedeutet, dass verschiedene Instrumente je nach Setup-Größe und Qubit-Technologie zu einem System kombiniert und gesteuert werden können. Art und Anzahl der Komponenten innerhalb eines QCCS können an sich ändernde Anforderungen angepasst werden, während sie über eine einzige Software-Schnittstelle als ein einziges System synchronisiert und gesteuert werden können. Dieser Ansatz reduziert die Setup-Komplexität und den Steuerungsaufwand und ermöglicht es den Anwendern, sich auf ihre Quantencomputer-Forschung zu konzentrieren, da sie weniger Zeit für die Implementierung, Systemkalibrierung und Programmierung individueller Hardware-Einstellungen aufwenden müssen. Ein weiterer wesentlicher Vorteil dieses Systemsteuerungsansatzes ist die Möglichkeit, Aufgaben innerhalb der Steuerungssoftware zu parallelisieren und in eine Warteschlange zu stellen, um eine maximale Betriebszeit des verwendeten Quantenbausteins zu erreichen.

Mit dem QCCS können Anwender

  • mit einem Software-Entwicklungskit (SDK) auf Gatterebene durchstarten und haben so einen Weg, ihren Quantencomputer an Anwendungssoftware anzudocken, die ihn auf einem entfernten Computer, im lokalen Netzwerk einer Forschungseinrichtung und in der Cloud verfügbar macht.
  • Verwenden Sie den Zugriff auf Puls- und Sample-Ebene für individuelle Quanteninformationsverarbeitungsexperimente wie Fehlerkorrekturprotokolle, Surface-Code oder randomisiertes Benchmarking.

Beide Ansätze werden durch die LabOne-QCCS-Softwarearchitektur unterstützt, die ein schnelles Hochfahren, häufiges Kalibrieren und Anpassen ermöglicht.

Zurich Instruments QCCS Quantum Computing Control System Rack

Vollständiger Quantum Stack

Der Quanten-Stack kombiniert Hardware und Software in einem Modell. Benutzer eines Quantencomputers haben verschiedene Zugangspunkte zu diesem Stack. Die Einstiegsebene eines Quantenchemikers liegt höchstwahrscheinlich ganz oben, ein theoretischer Physiker könnte sich eher für den Code des Quantencompilers und Assemblers interessieren, während ein Experimentalphysiker wissen möchte, wie diese Algorithmen auf der Hardware implementiert sind und wie die Ergebnisse an die Benutzer zurückverarbeitet werden. Der Informationsfluss von Hardware-Einstellungen, Timing und Daten innerhalb des Quanten-Stacks muss sorgfältig organisiert und kontrolliert werden, um Gleichzeitigkeit und Parallelität sowie eine ideale Benutzererfahrung zu gewährleisten, bei der an jedem Eintrittspunkt in den Stack die richtigen Informationen bereitgestellt werden.

Zurich Instruments QCCS Full Quantum Stack

Systemarchitektur

Zurich Instruments QCCS System Architecture

Das Quantum Computing Control System (QCCS) kombiniert Software und Hardware von Zurich Instruments in einem System, um Quantenalgorithmen auf Gatter-Ebene effizient mit den analogen Signalen des physikalischen Systems zu verbinden. Das QCCS besteht aus:

Software-Architektur

Die QCCS-Software von Zurich Instruments bietet den Benutzern Zugriff auf Puls-Ebene als Basisabstraktionsschicht und Einstiegspunkt in das Gesamtsystem. Die Pulse-Level-Abstraktion ermöglicht die parametrische Steuerung von Pulsen, dynamische Pulsaktualisierungen in Echtzeit und Nahzeit sowie den Rückruf zu benutzerdefinierten Pulsbibliotheken auf einer höheren Ebene. Einzelne Quantengatter und vollständige Algorithmen können mit Kombinationen aus einzelnen benutzerdefinierten und optimierten Impulsen als Vorlagen ausgedrückt und für mehrere Quanteninformationsverarbeitungsexperimente wiederverwendet werden.

Die Quanteninformationsverarbeitungsexperimente können an der QCCS-Software-Schnittstelle in einer domänenspezifischen Sprache (DSL) in Python oder direkt in einem sprachunabhängigen Datenformat (JSON) ausgedrückt werden. Die QCCS-Softwareschnittstelle hat ein deklaratives Format in Python und JSON anstelle eines imperativen Formats, um die Software von Zurich Instruments und Kundensoftware klar zu trennen und so die Fehlersuche zu erleichtern. Das QCCS-Software-Backend kümmert sich um die Programmierung und Synchronisierung der einzelnen Produkte von Zurich Instruments und Geräten von Drittanbietern, die Durchführung des Experiments und den Abruf der Messergebnisse.

Übergänge zur Gate-Level-Steuerung, schnelle Bring-Up- und Kalibrierungsexperimente mit der Quantencomputer-Steuerelektronik von Zurich Instruments werden durch einen reichen Satz von Beispielen in Python-Jupyter-Notebooks und JSON-Schemata gewährleistet.

Zurich Instruments QCCS Software Architecture

Schnittstelle mit anderen Quantum-Frameworks

Die Kopplung mit anderen Quanten-Frameworks ist entscheidend, um das volle Potenzial eines Quantencomputers auszuschöpfen. Die Puls-Level-Schnittstelle der QCCS-Software von Zurich Instruments stellt die perfekte Schnittstelle für die Implementierung anwendungsspezifischer Frontends dar, da sie Hardware-Details einschränkt und dennoch bei Bedarf eine Sample-by-Sample-Kontrolle ermöglicht. Umfangreiche Dokumentation, Code-Design und Beispiele ermöglichen es dem Benutzer, auf einfache Weise dedizierte Links zu anderer Software zu definieren.

Qiskit, QCoDeS und PycQED sind Beispiele für das wachsende Angebot an Quanten-Frameworks, die heute zur Verfügung stehen. Mit den QCCS-Softwareschnittstellen können die Benutzer direkt von diesen reichhaltigen Tools zur Kodierung, Optimierung und Visualisierung von Quantenalgorithmen profitieren, da sie Arbeitsabläufe über Quanten- und klassische Hardware hinweg ermöglichen und Ergebnisse, Geräteeinstellungen, Umgebungsparameter und Algorithmen in einer Datenbank erfassen.

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