Квантовые компьютеры QC. Применение решений AnaPico

В Интернете есть множество учебных материалов для краткого понимания квантовых вычислений (КВАНТОВЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ QC). (Для тех, кто заинтересован в более подробном списке , мы указываем список из документов в конце этого документа.)

В этой статье мы будем повторять обзор, а начнем с экспериментальных / измерительных систем, которые создают наши целевые клиенты, и выясним, какие продукты AnaPico подходят и привлекательны в качестве средств измерений в экспериментальных системах контроля квантовых компьютеров.

Экспериментальные системы контроля качества и основные технические требования к приборам.

Технология контроля качества сегодня все еще находится на начальном уровне. Ученые всего мира создают экспериментальные системы, позволяющие подтвердить концепцию и понимание фундаментального механизма. Большинство исследовательских групп по разработке квантовых копьютеров сегодня создают системы, включающие несколько QuBit (Кубит), и планируют расширить системы для поддержки десятков QuBits (Кубит). Типичная экспериментальная система контроля качества (КВАНТОВЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ QC) показана ниже. С точки зрения требований к оборудованию есть следующие основные компоненты:

• Холодильник / Криостат (QuBits Fridge/ Cryostat) QuBits: контейнер с очень низкой и стабильной

Таким образом, экспериментальные системы контроля качества работают по такому механизму замкнутого цикла: генерация сигналов модуляции и управления → применение модулированных и управляющих сигналов на QuBits внутри холодильника → постоянное считывание статуса QuBits → анализ считываемых сигналов и принятие решения какие сигналы модуляции и управления применять дальше → и так далее.

(В зависимости от методов реализации QuBit, конечно, существуют разные способы управления и считывания QuBit. В этом документе мы кратко описываем только наиболее актуальную концепцию, которая включает в себя наши инструменты для тестирования и измерения.)

Ученые занимающие исследованием и разработкой КВАНТОВЫХ КОМПЬЮТЕРОВ QC, обычно используют все / большую часть аппаратного оборудования. Очевидно, что сегодня AnaPico может внести существенный вклад в работу с QuBits. Общие технические требования к формированию управляющего сигнала следующие:

• Низкая задержка цикла (от считывания статуса до подачи управляющих сигналов на QuBits) должна быть менее 1 мкс. (Срок службы QuBits в холодильнике составляет около 100 мкс.) Это жесткое требование. Следовательно, заказчик требует, чтобы каждый прибор / функциональный блок в контуре работал как можно быстрее.
• Ширина импульса модуляции должна быть близка / меньше 10 нс. Следовательно, из-за дополнительного механизма формирования импульсов требуемая частота дискретизации для генерации импульсов должна превышать 1 Гвыб / с.
• Частота ПЧ обычно ниже 100 МГц.

Частота ВЧ/СВЧ сигналов гетеродина в основном находится в диапазоне до 12/20 ГГц. С квантово- физической точки зрения: чем выше частота, тем больше различий состояний QuBit, но, к сожалению, тем дороже экспериментальные системы. Для обнаружения состояний с низким уровнем ошибок необходимы высокая спектральная чистота и низкий фазовый шум. Фазовая когерентность между колебательными сигналами, а также функции регулировки фазы очень важны, поскольку это значительно помогает поддерживать низкую задержку контура.

Обобщив технические требования выше, текущее состояние исследовательской работы, однако, таково, что большинство исследовательских групп / экспериментальных систем еще не могут поддерживать все желаемые функции и уровень производительности, учитывая всегда ограниченный доступный бюджет. Большинство экспериментальных систем все еще работают в режиме разомкнутого цикла. Для начала экспериментов делается много компромиссов. Исследователи индустрии квантовых компьютеров QC и поставщики инструментов все еще работают над этим набором требований.

Подходящие продукты AnaPico для экспериментальных систем контроля качества.

MCSG-ULN и RFSYN20-X как источники фазово-когерентных колебаний.

В последние несколько лет серия многоканальных генераторов сигнала от AnaPico MCSG-ULN была выбрана десятками лабораторий по контролю качества по всему миру в качестве гетеродинов в экспериментальных системах контроля качества. Причины этого успеха следующие.

MCSG-ULN привлекательны по следующим причинам:

• Отличная фазовая когерентность, очень низкий фазовый шум. (3мрад, 1 ГГц 20 кГц отстройка -145 дБн/Гц);
• Возможность регулировки фазы каждого канала;
• Высокая выходная мощность, поддерживающая широкий спектр I / Q-смесителей;
• Механизм синхронизации на базе 3 ГГц между монтируемыми в стойку модулями, обеспечивающий лучшую в своем классе фазовую когерентность среди каналов сигнала гетеродина;
• Компактный размер, низкое энергопотребление. Это большой положительный момент для пользователей, имеющих в виду более крупную систему.

Многоканальные генераторы сигналов серии MCSG-ULN до сих пор являются предпочтительными гетеродинами, особенно для малых и средних систем контроля качества . Заказчики, создающие крупномасштабные системы с десятками QuBit, могут также использовать нашу серию многоканальных синтезаторов частоты RFSYN20-Х, чтобы сократить вложения в приборную часть. RFSYN20-X дешевле, чем MCSG-ULN, но c более низким уровнем производительности, чем MCSG-ULN (фазовая когерентность, фазовый шум и т. д.).

RFVSG-X для манипулирования QuBits.

Наша новая серия векторных генераторов сигналов RFVSG (также доступны многоканальные модели) имеют встроенные функции AWG, LO, I / Q микширование и т. Д., Которые необходимы в экспериментальных системах контроля качества. Они хороши для групп контроля качества, начинающих создавать экспериментальные системы с самого начала и не имеющих многих других инструментов, таких как AWG, I/Q модуляторы и т. Д. Экономическая эффективность в сочетании с хорошими функциями, такими как оперативная гибкость, фазовая-когерентность, чистота сигнала и т. д. предоставляют клиентам (КВАНТОВЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ QC) экономичным способом.

RFVSG имеет несколько режимов работы / модуляции, два из которых потенциально подходят для приложений контроля качества (Квантовые компьютеры QC):

• Пользователи могут скомпилировать необходимые сегменты данных I / Q (импульсные сигналы в форме основной полосы) и предварительно сохранить их во внутренней памяти RFVSG, имеющей размер 512 МБайт, каждый с 32 битами (2×16 бит для I и Q). С сегодняшней точки зрения, часто используемые сегменты I / Q меньше 100 МБ, каждый из которых имеет длину <30 нс. В процессе работы пользователь отправляет команду на RFVSG с адресом сегмента данных I/Q через FCP, а RFVSG будет на лету использовать правильный сегмент и модулировать сигнал LO для генерации необходимого управляющего сигнала. Операция с адреса, доступного для генерации управляющего сигнала, займет всего Время <200 нс.
• Плата клиента (ПЛИС) будет предоставлять сегмент данных I / Q во время работы системы контроля качества и передавать его через FCP в механизм RFVSG. Остальное затем аналогично описанному выше процессу.

Другие режимы компиляции и ввода данных модуляции либо неприменимы (MOD, IVM), либо медленны для работы с замкнутым контуром (AIQ), и поэтому не так актуальны. (Системы контроля качества, работающие по механизму разомкнутого контура, поскольку задержка канала еще не критична, могут по-прежнему использовать AIQ для ввода аналогового I / Q-сигнала.)

Текущее поколение RFVSG имеет полосу цифровой модуляции 400 МГц, максимальную частоту дискретизации 500 Мвыб / с, скорость передачи цифровых I / Q-данных (при FCP) до 250 МВыб / с. Для многих исходных экспериментальных систем контроля качества этого достаточно. Другие особенности RFVSG, способствующие пригодности для приложений КВАНТОВЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ QC, — это очень низкий фазовый шум, фазовая когерентность в многоканальной версии, индивидуальная регулировка фазы, отличная чистота сигнала (гармоники, негармоники, стабильность мощности несущей, подавление спуров) и т. Д. RFVSG следующего поколения будет иметь более широкую полосу модуляции, более высокую частоту дискретизации и т. д. И, таким образом, также будет отвечать строгим требованиям к манипулированию QuBits.