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Informatique quantique avec qubits supraconducteurs

Produits associés : QCCS, HDAWG, UHFQA, PQSC

Description de l'application

L'informatique quantique avec qubits supraconducteurs est l'une des technologies les plus prometteuses pour la réalisation d'ordinateurs quantiques complexes. D'énormes progrès ont été réalisés au cours des deux dernières décennies, des avancées majeures étant signalées dans les laboratoires universitaires, les instituts gouvernementaux et un nombre croissant d'entreprises privées. Alors que la recherche et le développement dans ce domaine se poursuivent à un rythme toujours croissant, les différents acteurs doivent se concentrer sur leurs compétences clés - fabrication de qubits, caractérisation de qubits ou conception d'algorithmes.

Zurich Instruments s'est engagé à fournir le premier système commercial de contrôle pour l'informatique quantique (QCCS) au monde, capable de s'adapter à une échelle allant jusqu'à 100 qubits. Le QCCS contient le matériel et les logiciels nécessaires pour connecter les qubits physiques (tels que les circuits supraconducteurs) aux niveaux supérieurs du stack quantique qui définissent les programmes exécutés sur l'ordinateur quantique.

Quels sont les défis que nous aidons nos clients à relever ?

  • Contrôle des qubits : impulsions de contrôle (characterisées par un bruit de phase extrêmement faible) avec une résolution temporelle inférieure à la nanoseconde et permettant une précompensation en temps réel pour le fonctionnement des portes quantiques à haute fidélité.
  • Lecture des qubits : lecture rapide avec haute fidélité de plusieurs qubits, et rétroaction en temps réel à faible latence.
  • Programmation quantique : interface logicielle puissante compatible avec les principaux logiciels de programmation quantique de haut niveau.
  • Mise à l'échelle de l'informatique quantique : synchronisation à l'échelle du système et communication à faible latence entre différents instruments.

Stratégies de mesure

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

Le QCCS représente l'état de l'art pour le contrôle des processeurs quantiques supraconducteurs. Il fournit aux utilisateurs un système entièrement programmable - comprenant le HDAWG, l'UHFQA et le PQSC - accompagné de l'interface utilisateur LabOne® et des API pour Python, C/C++, MATLAB®, LabVIEW™ et .NET. Les fonctionnalités essentielles comprennent la caractérisation et l'initialisation des qubits, la réalisation de portes quantiques, la lecture des qubits et les conditions de bifurcation.

Démarrage

  • Fonction: Caractériser les performances de bruit de la chaîne d'amplification et les optimiser pour obtenir le meilleur rapport signal sur bruit (SNR).
  • Caractéristiques : La portée de l'oscilloscope FFT de la série UHF garantit un bruit de phase SSB inférieur à -155 dBc/Hz pour la caractérisation du bruit. Une assistance technique est disponible pour Labber et QCoDeS.
  • Avantages : La complexité de votre installation est réduite car il n'y a aucun besoin de changer l'instrumentation utilisée pendant les différentes étapes expérimentales.

Pour optimiser la performance des amplificateurs en matière de bruit, un analyseur de spectre à faible bruit de phase est nécessaire. Avec son oscilloscope FFT intégré à faible bruit, l'analyseur quantique UHFQA convient à la fois pour la mise à jour et pour les étapes expérimentales qui suivent. Les driver pour Labber et QCoDeS sont également pris en charge par le QCCS.

Caractérisation et étalonnage

  • Fonction: Trouver la fréquence de chaque qubit et résonateur, calibrer les mélangeurs, caractériser la performance de votre qubit et optimiser la fidélité de lecture single-shot du qubit.
  • Caractéristiques : Deux modes de lecture de l'UHFQA sont dédiés à la spectroscopie et à la lecture multiplexée. Le résultat numérique en sortie du qubit ne nécessite pas de téléchargement de données vers ou depuis votre ordinateur avec l'UHFQA. La faible latence permet un fonctionnement en retour rapide.
  • Avantages : Profitez de l'étalonnage rapide et automatisé des circuits supraconducteurs, ainsi que des fonctions logicielles rapidement mises à jour et d'une assistance étendue à la programmation.

La caractérisation et l'étalonnage d'un circuit supraconducteur complexe peuvent prendre beaucoup de temps ; un résultat rapide pour les états multi-qubit après l'opération de lecture est indispensable pour les opérations de rétroaction conditionnelle. Grâce à des modes de mesure dédiés à la spectroscopie et à la lecture multiplexée, l'UHFQA simplifie le processus et fournit directement des sorties numérisées des états du qubits.

Calcul

  • Fonction: Optimiser la fidélité des portes quantiques, exécuter des algorithmes quantiques complexes avec ou sans correction d'erreurs et caractériser leur performance et leurs limites.
  • Caractéristiques : Le générateur de formes d'onde arbitraires HDAWG produit 5 Vpp avec un faible bruit de phase, ce qui donne accès à une fidélité pour les portes quantiques supérieure à 99,9 %. L'option de précompensation en temps réel HDAWG-PC permet de minimiser les fuites vers des états de qubit plus élevés pour les portes à deux qubits à haute fidélité. La communication entre plusieurs instruments avec une faible latence est possible grâce à une connexion DIO pour les petits systèmes (1 HDAWG + 1 UHFQA) et grâce à ZSync pour les systèmes allant jusqu'à 100 qubits (1 PQSC + n HDAWG + m UHFQA).
  • Avantages : Le QCCS est un produit de haute performance qui s'adapte à des ambitions croissantes.

La réalisation d'algorithmes quantiques complexes repose sur des portes universelles à un et deux qubits et à haute fidélité. Dans les systèmes supraconducteurs, la fidélité des portes à deux qubits peut être limitée par le bruit des impulsions de flux. L'excellente performance du HDAWG en matière de bruit permet d'atteindre une fidélité de 99.9% pour les portes, tandis que les fuites vers des états de qubit plus élevés peuvent être minimisées grâce à l'option de précompensation en temps réel HDAWG-PC. La communication entre plusieurs instruments via une sortie DIO ou Trigger, ainsi que la compatibilité avec des langages de programmation quantique de haut niveau tels que Qiskit, font du QCCS un système évolutif et le choix idéal pour un grand circuit supraconducteur destiné à l'informatique quantique appliquée.

Pourquoi choisir Zurich Instruments

  • Profitez du travail de pionnier effectué par nos partenaires de projet, le professeur Andreas Wallraff (ETH Zurich, Suisse) et le professeur Leo DiCarlo (TU Delft, Pays-Bas), tel qu'il décrit dans cette interview.
  • Profitez du solide soutien technique fourni par nos spécialistes de l'informatique quantique, qui comptent des années d'expérience dans le domaine des qubits supraconducteurs.
  • Le QCCS est une solution qui a fait ses preuves et qui a fait l'objet de publications de grande qualité (voir ci-dessous).
  • Toutes les étapes expérimentales sont prises en compte avec le QCCS : mise au point, caractérisation, calibration et calcul.
  • Gagnez du temps grâce à des logiciels complets : une interface utilisateur puissante, la progression de la programmation virtualisée et un support et des mises à jour continus des logiciels (pour LabOne et ses API).
  • Ajoutez le QCCS à votre feuille de route pour intégrer des logiciels du stack quantique de haut niveau tels que Qiskit.

Posez-nous vos questions

Vidéos

Contrôle pour 100 qubits et plus

Zurich Instruments - Qubit control for 100 qubits and more

Précompensation AWG en temps réel

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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