Квантовые компьютеры QS. Применение решений Anapico

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 компьютеров сегодня создают системы, включающие несколько QuBit (Кубит), и планируют расширить системы для поддержки десятков QuBit (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 температурой (около 0 Кельвина) внутри, в котором размещены QuBits. Сегодня существуют десятки физических методов/технологий реализации QuBit, таких как TRANSMONS, TRAPPED ION и т.д.
• Для управления/манипулирования QuBits (изменение квантовых состояний QuBits - 0, 1, суперпозиция) необходимы три различных типа сигналов:
  • Узкополосные импульсные сигналы, модулированные на РЧ/СВЧ-частоте
  • Сигналы промежуточной частоты (ПЧ), модулированные (той же) несущей ВЧ/СВЧ частотой
  • Импульсные сигналы постоянного тока для функции стробирования/ переключения
• Для считывания состояний QuBits сигналы от QuBits Fridge преобразуются с понижением частоты в полосу частот модулирующего сигнала и в цифровую область. Перед отправкой информации о состоянии QuBits на плату управления и программное обеспечение (квантовый алгоритм) цифровые сигналы часто предварительно обрабатываются в максимально возможной степени, что снижает нагрузку обработки данных на плату управления
• Плата управления (Control Board) принимает и далее анализирует обнаруженные сигналы состояния QuBits и дает команды приборам для изменения состояния Qubits в следующем шаге

Таким образом, экспериментальные системы контроля качества работают по 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 данной статье кратко описываются только наиболее актуальные концепции, которые включают в себя современные инструменты для тестирования и измерения.

Ученые, занимающиеся исследованием и разработкой квантовых компьютеров QC, обычно используют всю/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. Следовательно, требуется, 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, 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 сигналов от AnaPico MCSG-ULN была выбрана в качестве гетеродинов в экспериментальных системах контроля качества десятками лабораторий по контролю качества по всему миру. Причины этого успеха следующие:

• Стабильный и приемлемый уровень цен
• Отличная фазовая когерентность, очень низкий фазовый шум. (3 мрад, 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
• Множество положительных отзывов заказчиков

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 серию многоканальных синтезаторов частоты RFSYN20-X, 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

Новая серия векторных генераторов сигналов RFVSG (также доступны многоканальные модели) имеет 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 многочисленных инструментов, таких как AWG, I/Q модуляторы и т.д.

RFVSG имеет несколько режимов работы/модуляции, два из которых потенциально подходят для приложений контроля качества:

• 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 <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 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 квантовых компьютеров 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.

По всем интересующим вопросам Вы можете обращаться к нашим менеджерам любым удобным способом: воспользоваться формой обратной связи на сайте, по телефону: +7 (383) 203-10-00 или по e-mail: info@alfa-instr.ru.