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양자 피드백 측정

관련 제품 : HDAWGUHFQASHFQASHFSGSHFQCPQSC

응용기술 설명

양자 피드백 측정에서, 싱글-샷 (single-shot) 큐비트 측정의 결과는 큐비트에 대한 즉각적인 피드백 동작을 위한 결정입력으로 사용됩니다. 피드백 지연시간(feedback latency)가 짧을수록, 피드백 오퍼레이션의 에러율은 작게되고, 전체 양자 정보 프로세싱 오퍼레이션의 충실도는 높아집니다. 반복성을 보장하려면, 여러 기기를 통과하는 경우에도 전체 피드백 루프는 특정 시간안에 완료되어야 합니다. 양자 피드백은 빠른 큐비트 초기화(initialization), 양자 상태 안정화(stabilization), 그리고 양자 오류 수정(error correction)과 같은 애플리케이션에 사용됩니다. 사용 사례는 측정과 피드백 사이에 필요한 신호 처리의 복잡성이 다릅니다 ; 신호 처리 단계는 디지털 정보 비트의 간단한 전달에서 까다로운 오류 신드롬 디코딩에 이르기까지 다양합니다.

취리히인스트루먼트의 제품은 초전도 및 스핀 큐비트 실험에 필요한 모든 구성을 포괄하여, 피드백 속도와 복잡성 처리 간의 최상의 절충안을 달성합니다. 취리히인스트루먼트의 1세대(Generation 1)양자 컴퓨팅 제어 시스템(QCCS)은 베이스밴드에서 생성된 큐비트 제어 및 판독 신호에 의존합니다. 2세대 QCCS는 최대 8.5 GHz의 마이크로파 주파수에서 직접 작동합니다. 1세대 및 2세대 측정장비 모두는 동일한 피드백 방법을 지원하지만 구현방법에는 차이가 있습니다. 아래에서는 두가지 Generation 에 대한 가능한 방법과 구현에 대해 설명합니다.

측정 전략

Feedback configurations with a QCCS of the first generation

그림 1: 1세대 QCCS에서 이벤트 기반, 지점간 기반, 그리고 PQSC활성화 기반의 구현을 위한 피드백 오퍼레이션 연결 다이어그램.

Feedback configurations with the QCCS

그림 2: 2세대 QCCS에서 이벤트 기반, 지점간 기반, 그리고 PQSC활성화 기반의 구현을 위한 피드백 오퍼레이션 연결 다이어그램.

이벤트 기반 : 50 ns 이하의 지연시간

그림 1a 의 가능한 가장 빠른 구성, TTL 상승 에지 신호는 HDAWG Arbitrary Waveform Generator 의 트리거 입력 중 하나로 전송되어, 50 ns 후에 출력쌍에서 아날로그 신호 (첫 샘플 출력)를 생성합니다. 이 구성은 활성 큐비트 재설정 (active qubit reset)의 경우와 같이, 하나의 큐비트 판독 신호를 한 개의 특정 큐비트로 의도적으로 다시 피드백 될 때 적합합니다. TTL 신호는 큐비트 판독기능의 타사 장비에서 제공될 수 있습니다. 그림 2a와 같이, SHFSG Signal Generator 도 또한 이 기능을 제공합지만, 지연시간은 200 ns로 높아집니다.

포인트 대 포인트 : 350 ns 이하의 지연시간

그림 1b 및 2b에 표시된 이 구성에서, 한 큐비트의 판독 결과는 고정된 포인트 대 포인트 연결을 통해 동일한 큐비트의 제어 라인에 다시 공급됩니다. 이는 액티브 리셋의 사용 사례와 잘 일치합니다. 1세대 QCCS에서는 VHDCI 케이블(DIO 링크)을 통해 UHFQA Quantum Analyzer를 HDAWG Arbitrary Waveform Generator에 연결하면 이를 실현할 수 있습니다. DIO 링크는 최대 10큐비트 판독 신호를 디지털 비트로 전송합니다. 이 10비트의 정보를 사용하여 8개의 HDAWG 출력 신호를 제어할 수 있습니다. 380 ns의 지연 시간은 판독 펄스의 마지막 샘플이 UHFQA의 신호 입력에 들어가는 시간부터 HDAWG의 파형 출력에서 제어 펄스의 첫 번째 샘플이 생성되는 시간까지 측정됩니다. 2세대 QCCS에서 포인트간 피드백 루프는 계측기 내부에서 직접 구현될 수 있습니다: SHFQC Qubit Controller에는 제어 및 읽기 기능이 포함되어 있으며 피드백 지연시간은 350 ns로 더 줄어듭니다.

PQSC 지원 : 550 ns 이하의 지연시간

PQSC Programmable Quantum System Controller를 중앙 허브로 추가하면 시스템의 두 큐비트(qubit) 간에 피드백이 가능합니다. 멀티 큐비트 데이터를 실시간으로 짧은 지연시간(low latency)으로 처리할 수 있습니다. 이 방법은 포인트 간 피드백보다 강력하며 확장 가능한 양자 컴퓨팅과 양자 오류 수정을 위한 필수 조건입니다. 그림 1c에 표시된 1세대의 QCCS에서 여러 개의 HDAWG는 ZSync 케이블을 통해 PQSC에 연결되고 여러 개의 UHFQA는 VHDCI 케이블(DIO 링크)을 통해 HDAWG에 연결됩니다. 각 DIO 링크/ZSync 연결은 UHFQA에서 PQSC로 최대 10큐비트 판독(readout) 신호를 전송합니다. 또한 ZSync 연결은 PQSC에서 HDAWG로 비트 워드를 전송하여 파형 선택을 위한 의사 결정 입력으로 사용할 수 있습니다. 가능한 가장 빠른 경로에서 UHFQA의 마지막 샘플과 HDAWG의 첫 번째 샘플 사이의 지연 시간은 700ns보다 낮습니다. 그림 2c에 표시된 2세대 QCCS에서 모든 구성요소는 ZSync를 통해 PQSC에 직접 연결되며 지연 시간은 550 ns 이하로 감소합니다.

SHFQC를 통한 로컬 및 글로벌 피드백

대규모 시스템에서는 PQSC 지원 피드백 기능과 포인트 대 포인트를 결합하는 것이 중요합니다. 이를 통해 사용자는 ancilla 큐비트 리셋과 같은 로컬 피드백 작업과 에러 신드롬 디코딩 및 수정 (error syndrome decoding and correction)과 같은 글로벌 피드백 오퍼레이션에 대해 최상의 지연시간(latency)을 달성할 수 있습니다. 그림 3은 그러한 구성이 2세대 QCCS에서 어떻게 구현될 수 있는지를 보여줍니다. 각 SHFQC는 하나의 판독 라인에 연결된 ancilla 큐비트의 하위 그룹을 제어하는 데 사용됩니다. 추가 SHFSG는 양자 회로 프로세싱중 재설정 작업이 필요하지 않은 데이터 큐비트에 대한 추가 제어 라인을 제공하며, HDAWG는 큐비트 또는 커플러 주파수를 튜닝할 수 있는 플럭스 펄스를 제공합니다.

Local and global feedback with the QCCS

그림 3: QCCS로 연속적인 로컬 그리고 글로벌 피드백 오퍼레이션 구현을 위한 연결 다이어그램.

취리히인스트루먼트 선택의 이점

  • 짧은 대기 시간(low latency), 확장성(scalability), 강력한 실시간 데이터 처리 : 양자 피드백 측정에 대한 모든 중요한 요구 사항이 동시에 충족됩니다.
  • 위에서 설명한 시나리오 중에서 실험에 가장 적합한 구성을 선택할 수있는 유연성을 활용하십시오.
  • FPGA 프로그래밍에 대한 광범위한 지식 없이도 최첨단 실험 방법을 사용할 수 있습니다.

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Related Publications

Andersen, C.K. et al.

Entanglement stabilization using ancilla-based parity detection and real-time feedback in superconducting circuits

npj Quantum Inf. 5, 69 (2019)

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