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Controllo del sistema

Il QCCS di Zurich Instruments segue un approccio modulare al controllo di un sistema quantistico. Ciò significa che diversi strumenti possono essere combinati e controllati come una singola unità a a seconda delle dimensioni dell'apparato sperimentale e della tipologia di qubit. Il tipo e il numero di componenti all'interno di un QCCS possono essere adattati alle esigenze degli utilizzatori, pur rimanendo sincronizzati e controllati come un unico sistema attraverso un'unica interfaccia software. Questa strategia riduce la complessità dell'apparato sperimentale, permettendo agli utilizzatori di concentrarsi sulle attività di ricerca e risparmiare tempo per la calibrazione del sistema e la programmazione delle impostazioni hardware. Un altro vantaggio significativo di questo approccio è la capacità di parallelizzare e accodare operazioni all'interno del software di controllo per massimizzare l'uptime del dispositivo quantistico.

Con il QCCS, gli utilizzatori possono

  • Partire da un kit di sviluppo software (SDK) al livello di circuito e di gate quantistico e disporre di un percorso per collegare il proprio computer quantistico al software, rendendolo disponibile su un computer remoto, all'interno della rete locale di una struttura di ricerca e sul cloud.
  • Utilizzare l'accesso al livello di impulso e di campione per singoli esperimenti di elaborazione dell'informazione quantistica quali i protocolli di correzione degli errori o il 'randomized benchmarking'.

Entrambi gli approcci sono supportati dal software LabOne QCCS, che consente 'bring-up' rapido, calibrazione frequente e personalizzazione.

Zurich Instruments QCCS Quantum Computing Control System Rack

Stack quantistico completo

Lo stack quantistico comprende hardware e software. Gli utenti di un computer quantistico hanno diversi punti di ingresso a questo stack. Il livello di ingresso di un chimico quantistico sarà probabilmente posto in cima, mentre un fisico teorico potrebbe essere più interessato al codice del compilatore e dell'assemblatore quantistico; un fisico sperimentale, invece, potrebbe voler sapere come gli algoritmi sono implementati sull'hardware e come i risultati sono elaborati e comunicati agli utenti. Il flusso di informazioni riguardanti le impostazioni dell'hardware, i tempi e i dati all'interno dello stack quantistico deve essere organizzato e controllato attentamente per garantire il parallelismo e un'esperienza utente ideale, in cui le informazioni corrette sono fornite a ogni punto di accesso allo stack.

Zurich Instruments QCCS Full Quantum Stack

Architettura del sistema

Zurich Instruments QCCS System Architecture

Il QCCS combina software e hardware di Zurich Instruments in un unico sistema per collegare efficientemente algoritmi quantistici di alto livello e segnali analogici. Gli elementi del QCCS sono i seguenti:

  • Il PQSC (in inglese, Programmable Quantum System Controller) sincronizza e controlla fino a 18 HDAWG.
  • L'analizzatore quantistico UHFQA legge fino a 10 qubit simultaneamente grazie all'avanzata tecnologia di filtraggio.
  • Il generatore di forme d'onda arbitrarie HDAWG è uno strumento compatto con 8 canali ad alta densità adatto al controllo dei qubit.
  • Il generatore di segnali SHFSG produce segnali impulsati a basso rumore nella gamma delle microonde per il controllo dei qubit ad alta fidelity e senza calibrazione del mixer.
  • L'analizzatore quantistico SHFQA offre una configurazione completa di lettura in tempo reale per un massimo di 64 qubit superconduttori o di spin.
  • Il modulatore IQ HDIQ converte i segnali provenienti da fonti esterne a frequenza intermedia nella gamma di frequenze delle microonde.
  • Il software di controllo LabOne è dotato di API per Python, C, MATLAB®, LabVIEW™ e .NET.

Architettura del software

Il software QCCS di Zurich Instruments offre un accesso al livello di impulso come punto di ingresso al sistema nel suo complesso. L'astrazione al livello di impulso permette il controllo parametrico degli impulsi, gli aggiornamenti dinamici degli impulsi in tempo reale e in tempo quasi reale e il richiamo a librerie di impulsi definiti dall'utente a un livello superiore. Singoli gate quantistici e circuiti quantistici completi possono essere espressi con combinazioni di impulsi definiti dall'utilizzatore e ottimizzati come modelli, e possono essere riutilizzati per ulteriori esperimenti di elaborazione dell'informazione quantistica.

Gli esperimenti di elaborazione dell'informazione quantistica possono essere espressi nell'interfaccia software QCCS in un linguaggio specifico del dominio (DSL) in Python o direttamente in un formato di dati indipendente dal linguaggio (JSON). L'interfaccia del software QCCS ha un formato dichiarativo in Python e JSON (anziché un formato imperativo) per separare chiaramente il software di Zurich Instruments da quello del cliente e facilitare l'operazione di debugging. Il back-end del software QCCS si occupa della programmazione e della sincronizzazione dei singoli prodotti di Zurich Instruments e dei dispositivi di terze parti, dell'esecuzione dell'esperimento e del recupero dei risultati delle misure.

Le transizioni per il controllo al livello del gate, per il 'bring-up' rapido e per gli esperimenti di calibrazione con l'elettronica di controllo per la computazione quantistica di Zurich Instruments sono garantite da una ricca serie di esempi in Python Jupyter notebook e schemi JSON.

Zurich Instruments QCCS Software Architecture

Interfaccia con altri framework quantistici

L'interfaccia con altri framework quantistici è fondamentale per realizzare il pieno potenziale di un computer quantistico. L'interfaccia al livello di impulso del software QCCS di Zurich Instruments è perfetta per l'implementazione di front-end pensati per applicazioni specifiche, in quanto limita i dettagli dell'hardware pur consentendo il controllo campione per campione, se necessario. L'ampia documentazione, la progettazione del codice e gli esempi forniti permettono agli utilizzatori di definire facilmente dei collegamenti ad altri tipi di software.

Qiskit, QCoDeS e PycQED sono esempi del crescente ecosistema di framework quantistici accessibile oggi. Con le interfacce del software QCCS, gli utilizzatori possono beneficiare direttamente di questi strumenti per la codifica, l'ottimizzazione e la visualizzazione dei circuiti quantistici in quanto le interfacce consentono flussi di lavoro su hardware quantistico e classico e registrano i risultati, le impostazioni degli strumenti, i parametri ambientali e gli algoritmi in un database.

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