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Computazione quantistica con qubit superconduttori

Prodotti correlati: QCCS, HDAWG, SHFSG, SHFQA, PQSC

Descrizione dell'applicazione

La computazione quantistica basata sui qubit superconduttori è una delle tecnologie più promettenti per la realizzazione di computer quantistici scalabili. Negli ultimi due decenni sono stati fatti enormi progressi, con importanti passi avanti in tutto il mondo nei laboratori universitari, negli istituti governativi e in un numero crescente di aziende private. Mentre la ricerca e lo sviluppo in quest'area continuano a un ritmo sempre maggiore, i singoli attori devono concentrarsi sulle loro competenze chiave - fabbricazione di qubit, caratterizzazione di qubit o progettazione di algoritmi.

Zurich Instruments è impegnata a fornire il primo sistema commerciale al mondo di controllo elettronico per la computazione quantistica (QCCS) in grado di gestire fino a 100 qubit. Il QCCS comprende hardware e software necessari per collegare i qubit fisici (come i circuiti superconduttori) ai livelli superiori dello stack quantistico che definiscono i programmi da eseguire sul computer quantistico.

Quali sfide aiutiamo i nostri clienti ad affrontare?

  • Controllo dei qubit: impulsi di controllo a basso rumore di fase con risoluzione temporale inferiore al nanosecondo per la realizzazione di gate quantistici con fidelity elevata e precompensazione in tempo reale degli impulsi di flusso.
  • Lettura dei qubit: lettura veloce ad alta fidelity di più qubit e feedback in tempo reale a bassa latenza.
  • Programmazione quantistica: potente interfaccia software compatibile con i principali software di programmazione quantistica di alto livello.
  • Computazione quantistica scalabile: sincronizzazione temporale al livello del sistema e comunicazione a bassa latenza tra strumenti.

Strategie di misura

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

Il QCCS rappresenta lo stato dell'arte per il controllo dei processori quantistici superconduttori. Fornisce agli utenti un sistema completamente programmabile - che comprende lo HDAWG, lo SHFSG, lo SHFQA e il PQSC - che presenta l'interfaccia utente LabOne® e le API per Python, C/C++, MATLAB®, LabVIEW™ e .NET. Le capacità cruciali includono la caratterizzazione e l'inizializzazione dei qubit, la realizzazione di gate quantistici, la lettura dei qubit e la ramificazione delle sequenze.

Bring-up

  • Scopo: Caratterizzare le prestazioni di rumore della catena di amplificazione e ottimizzarla per il miglior rapporto segnale-rumore (SNR).
  • Caratteristiche: Lo SHFQA FFT Scope garantisce un rumore di fase SSB inferiore a -155 dBc/Hz per la caratterizzazione del rumore. Il supporto tecnico è disponibile per Labber e QCoDeS.
  • Vantaggi: Riduzione della complessità del setup - non c'è bisogno di calibrare il mixer, così come non c'è bisogno di passare da uno strumento all'altro tra il bring-up e le altre fasi dell'esperimento.

Per ottimizzare le prestazioni di rumore degli amplificatori, è necessario un analizzatore di spettro con un basso rumore di fase. Con la sua portata FFT integrata a basso rumore, l'analizzatore quantistico SHFQA è adatto sia per il bring-up che per le fasi sperimentali successive. In questo modo, non c'è bisogno di riconnessione manuale o di commutazione automatica. Anche i driver per Labber e QCoDeS sono pienamente supportati dal QCCS.

Caratterizzazione e calibrazione

  • Scopo: Trovare la frequenza per ogni qubit e il rispettivo risonatore, caratterizzare le prestazioni del qubit e ottimizzare la fidelity di lettura 'single-shot'.
  • Caratteristiche: Due modalità di lettura del SHFQA sono dedicate alla spettroscopia e alla lettura 'multiplexed'. L'uscita digitale diretta del qubit dallo SHFQA non richiede il caricamento o il download di dati da o verso il computer. La bassa latenza permette un feedback veloce.
  • Vantaggi: Una calibrazione veloce e automatizzata per circuiti superconduttori scalabili, e funzioni software rapidamente aggiornate insieme a un ampio supporto alla programmazione.

La caratterizzazione e la calibrazione di un grande circuito superconduttore possono richiedere molto tempo; inoltre, l'output veloce dello stato multi-qubit dopo la lettura è necessario per le operazioni di feedback condizionale. Con le sue modalità di misura dedicate per la spettroscopia e la lettura 'multiplexed', lo SHFQA semplifica il processo di misura e produce direttamente gli stati digitali dei qubit.

Computazione

  • Scopo: Ottimizzare la fidelity dei gate quantistici, eseguire algoritmi quantistici complessi con o senza correzione degli errori e caratterizzare le loro prestazioni e limitazioni.
  • Caratteristiche: Il generatore di segnali SHFSG copre l'intera gamma di frequenze da DC a 8.5 GHz, consentendo di generare una varietà di gate a uno e due qubit. Lo SHFSG utilizza una doppia tecnica di 'upconversion' supereterodina che assicura segnali a basso rumore e privi di spurie per gate ad alta fidelity, eliminando anche la necessità di calibrazione del mixer. Il generatore di forme d'onda arbitrarie HDAWG ha un'elevata potenza di uscita di 18 dBm e un basso rumore di fase; combinato con l'opzione di precompensazione in tempo reale HDAWG-PC, lo HDAWG è dunque ideale per impulsi di flusso per gate a due qubit ad alta fidelity. La comunicazione multi-dispositivo a bassa latenza è possibile attraverso connessioni trigger per piccoli sistemi e attraverso la connessione ZSync per sistemi fino a 100 qubit.
  • Vantaggi: Il QCCS è un prodotto ad alte prestazioni adatto per ambizioni crescenti.

La realizzazione di algoritmi quantistici complessi si basa su gate universali a uno e due qubit ad alta fidelity. Nei sistemi superconduttori, la fidelity dei gate a due qubit può essere limitata dal rumore degli impulsi di flusso o dal rumore di fase per i gate parametrici a due qubit. Le eccellenti prestazioni di rumore dello HDAWG consentono fidelity di gate a impulsi di flusso del 99.9%, mentre le perdite verso stati eccitati più alti possono essere minimizzate grazie all'opzione di precompensazione in tempo reale HDAWG-PC. La gamma di frequenze di uscita dello SHFSG va da DC a 8.5 GHz, il che permette di generare gate a singolo qubit, gate a risonanza incrociata e parametrici a due qubit – il tutto senza dover calibrare il mixer. La comunicazione multi-dispositivo tramite ZSync con un PQSC e la compatibilità con linguaggi di programmazione quantistica di alto livello come Qiskit rendono il QCCS la scelta ideale per un grande circuito superconduttore volto alla computazione quantistica pratica.

Perché scegliere Zurich Instruments

  • Approfittate del lavoro pionieristico svolto dai nostri partner, il Prof. Andreas Wallraff (ETH Zurigo, Svizzera) e il Prof. Leo DiCarlo (TU Delft, Paesi Bassi), descritto in questa intervista.
  • Beneficiate del supporto tecnico fornito dai nostri specialisti di computazione quantistica, che contano anni di esperienza diretta con i qubit superconduttori.
  • Il QCCS è una soluzione collaudata con un 'track record' di pubblicazioni di alta qualità (si veda sotto).
  • Tutte le fasi sperimentali sono prese in considerazione con il QCCS: bring-up, caratterizzazione, calibrazione e computazione.
  • Risparmiate tempo con un prodotto software completo: un'interfaccia utente potente, un progresso di programmazione virtualizzato e supporto e aggiornamenti continui del software (per LabOne e le sue API).
  • Aggiungete il QCCS alla vostra tabella di marcia per l'integrazione di software di alto livello quali Qiskit.

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Video

Controllare 100 qubit e oltre

Zurich Instruments - Qubit control for 100 qubits and more

Precompensazione in tempo reale con lo HDAWG

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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