ZQCS 양자 제어 시스템

장수명 (long-lived) 논리 큐비트 과제를 정복하기 위한 도구

ZQCS 양자 제어 시스템은 1,000큐비트급 양자 컴퓨터를 운용하기 위한 Zurich Instruments의 솔루션입니다. 내결함성 양자 컴퓨팅으로 가는 핵심 과제를 해결하도록 설계되었습니다. 즉, 대규모 운용, 양자 오류 정정(QEC) 구현, 양자 충실도 고도화를 목표로 합니다.

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주요 특징

큐비트 제어 및 판독 채널을 유연하게 조합할 수 있는 모듈형 시스템
양자 오류 정정에 최적화된 강력한 실시간 처리 아키텍처
19 인치 랙당 최대 1092 채널
1차 나이퀴스트 존(first Nyquist zone)에서의 직접 RF 신호 생성을 통한 시장 최고 수준의 신호대잡음비(SNR)
단일 셸프/섀시에서 멀티 셸프 구성까지 매끄러운 확장성
펄스, 게이트, 워크플로우 수준을 포괄하는 종합 제어 소프트웨어 인터페이스

진정한 확장성

확장 가능한 양자 제어는 전례 없는 시스템 규모에서도 완벽히 동작하도록 검증된 아키텍처에서 시작하며, 그리고 서비스 용이성, 낮은 운영 비용, 인프라 호환성이 뒷받침되어야 합니다.

ZQCS는 통신(telecom) 및 대형 물리 실험에서 검증된 프레임워크에 특화된 양자 제어 기술을 내장함으로써 이를 구현합니다. 동기화 방식은 대규모 양자 프로그램 실행에 최적화되어, 월클록(wall clock)을 유지하며 항상 적절한 타이밍에 올바른 펄스를 재생합니다. 또한 고집적 설계를 통해 19인치 랙당 1,000개 이상의 채널을 제공하며, 수랭식 인클로저(water-cooled enclosure)에서의 동작을 시험하여 열 방출, 열 변동, 작업장 보건·안전을 최적으로 관리할 수 있도록 했습니다.

경계 없는 QEC 연구

양자 프로세싱 유닛(QPU)을 안정화하기 위한 디코더 개발에는 양자/고전 컴퓨팅 자원의 긴밀한 통합이 필요합니다. 연구 개발의 속도를 높이기 위해서는 이러한 자원을 조합하는 방식에 대한 완전한 유연성이 필수입니다. ZQCS는 실시간 연산 성능을 제공하며, 이를 제한 없이 활용할 수 있는 자유도를 제공합니다. 각 셸프에는 최대 364개 채널에 직접 접근 가능한 프로그래머블 FPGA가 탑재됩니다. 여러 셸프는 풀-메시(full-mesh) 네트워크로 자유롭게 연결됩니다. 또한 RoCE(RDMA over Converged Ethernet) 인터페이스를 통해 고전 컴퓨팅의 CPU/GPU 자원과 고대역폭·저지연으로 연결할 수 있습니다.

최고의 양자 충실도 구현

내결함성 양자 컴퓨팅 로드맵은 대규모 칩에서 양자 충실도를 안정적으로 끌어올리는 데 달려 있습니다. 제어 오차 및 디코히런스 메커니즘에 대한 깊은 이해를 바탕으로 한 아날로그 설계를 통해, ZQCS는 제어 시스템이 제한 요인이 되지 않도록 하면서 5 나인(99.999%)을 넘어서는 양자 충실도 달성을 지원합니다.

ZQCS는 1차 나이퀴스트 존에서의 직접 RF(Direct-RF) 기술 기반 아날로그 프런트엔드를 통해 이를 구현합니다. 큐비트 제어에 중요한 신호 특성의 최적 균형을 제공합니다. 즉, 시장 최고 수준의 SNR, 낮은 스퍼(spur), 안정적인 진폭 및 위상, 낮은 지연을 제공합니다.

확장 가능한 소프트웨어 스택

양자 스택의 상위 계층에는 확장을 지연시키거나 차단할 수 있는 불확실성이 너무 많습니다. 예를 들어 성능 한계, 취약한 튜닝 워크플로우, 신뢰하기 어려운 인터페이스 등이 있습니다. Zurich Instruments의 확장 가능한 소프트웨어 아키텍처는 이러한 리스크를 통제합니다.

LabOne Q를 통해 사용자는 펄스, 게이트, 워크플로우 등 적절한 추상화 수준에서 복잡한 실험을 설계할 수 있습니다. 최적화된 컴파일러와 런타임이 최소 오버헤드로 하드웨어에 매핑하며, 검증된 자동화 지원을 통해 단일 칩부터 대규모 시스템까지 일관된 성능을 유지합니다.

채널 사양

ZQCS는 다양한 초전도 큐비트 타입의 제어 및 리드아웃을 위해 3가지 채널 타입을 제공합니다. 모든 채널은 고집적 멀티코액스(multicoax) SMP 커넥터로 제공됩니다.

Microwave (MW) control channel

Microwave (MW) readout channel

Low-frequency (LF) control channel

Direct RF, 24 GSa/s, 16 bit
0.1 to 10.5 GHz frequency range
1.6 GHz instantaneous bandwidth
High signal-to-noise ratio of −160 dBFS/Hz
7 outputs per multicoax SMP

Low-latency ADC input, 12 bit
3 to 11.5 GHz input frequency range
1.4 GHz instantaneous bandwidth
Output: Direct RF, 24 GSa/s, 16 bit, 0.1 to 10.5 GHz
2 inputs and 2 outputs per multicoax SMP

2 GSa/s, 16 bit
Output range ±2 V into 50 Ω
DC to 300 MHz (−3 dB bandwidth)
Low voltage noise of 12 nV/√Hz (> 100 kHz)
7 outputs per multicoax SMP

모듈

본 시스템은 슬롯이 14개인 SHL14 시스템 셸프(System Shelf) 1대 또는 여러 대로 구성됩니다. 이 중 최대 13개 슬롯을 아날로그 I/O 모듈에 사용할 수 있습니다. 아날로그 I/O 모듈은 MW 제어, MW 판독, LF 제어 채널 수가 서로 다른 3가지 버전으로 제공됩니다.

MWM2102 Microwave Module: 21× MW control, 2× MW readout I/O
MWM1404 Microwave Module: 14× MW control, 4× MW readout I/O
LFM2800 Low-Frequency Module: 28× LF control

이 모듈들을 자유롭게 조합하여 원하는 채널 수를 세밀한 단위로 구성할 수 있습니다.

또한 각 SHL14 시스템 셸프에는 TDM14 타이밍 및 디코딩 모듈 1대가 탑재됩니다. TDM14는 셸프 내 모든 아날로그 I/O 모듈에 대한 동기화 및 데이터 통신을 제공하며, 유연한 네트워크 토폴로지로 셸프 간 통신도 지원합니다. 프로그래머블 FPGA를 통해 양자 오류 정정 응용에서 디코더 자원으로 활용할 수 있습니다.