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應用指南-PQSC可編程量子系統控制器量子反饋控制應用

2022-08-051377次

在量子反饋控制實驗中，量子態的單次測量結果可以作為決策輸入用來對量子比特進行即時反饋。更短的反饋時間意味著更低的反饋誤差率和更高的量子信息處理的操作保真度。在使用多臺儀器時，反饋環路需要在完全確定的時間點實現以確保實驗的可重復性。PQSC可編程量子系統控制器量子反饋控制應用。

應用簡述

在量子反饋控制實驗中，量子態的單次測量結果可以作為決策輸入用來對量子比特進行即時反饋。更短的反饋時間意味著更低的反饋誤差率和更高的量子信息處理的操作保真度。在使用多臺儀器時，反饋環路需要在完全確定的時間點實現以確保實驗的可重復性。

量子反饋控制的應用主要包括：快速量子態初始化，量子態穩定子和量子糾錯。實際應用的差別體現在測量和反饋控制之間所需信號處理的復雜度。它可以通過一個簡單的數字比特傳遞信息，也可以通過要求苛刻的錯誤伴隨式解碼。

蘇黎世儀器（Zurich Instruments）的產品涵蓋了超導和自旋量子比特實驗所需的全部配置，可以確保用戶在反饋速度和處理復雜度之間取得最佳平衡。

第一代 Zurich Instruments 量子計算測控系統 (QCCS) 基于基帶信號的生產和采集來控制和讀取量子比特；第二代 QCCS 可以直接輸出和采集高達 8.5 GHz 的信號。兩代儀器都支持相同的反饋方法，但在實現上有所不同。在下文中，我們描述了使用兩代系統來實現反饋的方案。

測量方案

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基于事件：低至 50 ns 延遲

最低延遲的配置，如圖 1a，當一個 TTL 的上升沿到達 HDAWG 任意波形發生器的觸發輸入時，HDAWG 可在 50 ns 后在一對輸出通道上輸出模擬信號（首個采樣點）。可使用此配置進行主動量子比特重置，即用 1 個量子比特的讀取結果反饋控制自身的量子態或其它特定的量子比特。 TTL 信號也可由量子態讀取的第三方設備提供。SHFSG 信號發生器也支持這一功能，如圖 2b，其延遲為 200 ns。

點對點：低至 300 ns 延遲

在此配置中，如圖 1b，一個量子比特的讀取結果通過點到點的連接反饋到同一量子比特的控制端。這一方案適合于主動量子比特重置反饋。對于第一代 QCCS，可以通過使用 VHDCI 電纜（DIO 鏈接）將 UHFQA 量子分析儀連接到 HDAWG 來實現。DIO 鏈接最多可傳輸 10 個數字化的量子比特讀取結果；這 10 個比特的信息可用于控制 HDAWG 的 8 個輸出通道。從 UHFQA 的信號輸入端采集讀取脈沖的最后一個采樣點開始，到 HDAWG 的波形輸出端生成控制脈沖的第一個采樣點為止，總的延遲時間為 380 ns。對于第二代 QCCS，點到點反饋可以直接由一臺儀器實現：SHFQC 量子測控儀，包含量子比特控制和讀取功能，其反饋延遲低至 300 ns。

PQSC：低至 550 ns 延遲

PQSC 可編程量子系統控制器作為中心控制器可用來實現系統中任意兩個比特間的反饋操作，以及低延遲實時處理多量子比特數據。它比點到點的反饋方案更為普適，是實現可擴展量子計算和量子糾錯的先決條件。對于第一代 QCCS，如圖 1c 所示，多臺 HDAWG 通過 ZSync 電纜連接到同一臺 PQSC ，多臺 UHFQA 通過 VHDCI 電纜（DIO 鏈接）連接到多臺 HDAWG。每個 DIO 鏈接 / ZSync 最多可將 10 個量子比特的讀取結果從 UHFQA 傳輸到 PQSC。ZSync 連接可將數字化的量子態信息從 PQSC 傳輸到 HDAWG，進而用于決策輸出特定波形。任何 UHFQA 的最后一個輸入采樣點與任何 HDAWG 的第一個輸出采樣點之間的延遲低于 700 ns。對于第二代 QCCS，如圖 2c，所有儀器均可通過 ZSync 連接到 PQSC, 延遲也低至 550 ns。

SHFQC 本機或全局反饋

在較大的系統中，結合點到點反饋和 PQSC 反饋的方案具有更突出的優勢。它可以使用戶實現極低延遲的本機反饋，如輔助量子比特重置，和全局反饋，如伴隨式譯碼和糾錯。圖 3 描述了如何用第二代 QCCS 來實現這一方案。每臺 SHFQC 都可以用于控制一組連接到同一讀取鏈路的輔助量子比特。此外，SHFQC 在實驗中還可以為不需要重置操作的數據量子比特提供控制信號，而 HDAWG 可以提供用于調節量子比特或耦合器頻率的磁通脈沖。

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素材內容來源：Zurich Instruments 量子計算測控系統 (QCCS)

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