Квантовые компьютеры. Применение решений AnaPico

Введение

Продукты AnaPico, сопутствующие изложенным в статье материалам: MCSG-ULN,  RFVSG-X (многоканальные варианты),  RFSYN20-X. 

В Интернете есть множество учебных материалов для краткого понимания квантовых вычислений (КВАНТОВЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ QC).

В этой статье мы не будем повторять эти обзоры, а начнем с экспериментальных / измерительных систем, которые создают наши целевые клиенты, и выясним, какие продукты AnaPico наиболее подходят 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 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 получения дополнительной информации, пожалуйста, ознакомьтесь: https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_computing.
• Для управления / манипулирования QuBits (изменение квантовых состояний QuBits, 0, 1, суперпозиция) необходимы три различных типа сигналов:
  1. Узкополосные импульсные сигналы, модулированные на РЧ / СВЧ-частоте.
  2. Сигналы промежуточной частоты (ПЧ), модулированные (той же) несущей ВЧ/СВЧ частотой.
  3. 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 на следующем шаге.

Схема 1

Таким образом, экспериментальные системы контроля качества работают по следующему 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, разумеется, существуют разные способы управления и считывания QuBit. В данной статье мы кратко описываем только наиболее актуальную концепцию, которая включает в себя инструменты AnaPico для тестирования и измерения.)

Ученые занимающиеся 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.

Таким образом, выше мы сформулировали общие технические требования, однако данный вопрос имеет и другой аспект.

Текущие условия проведения исследовательской работы таковы, что большинство исследовательских групп / экспериментальных систем еще не могут поддерживать все желаемые функции и уровень производительности, вследствие всегда ограниченного бюджета. 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.

Итак, что же может предложить AnaPico?

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 во всем мире в качестве гетеродинов в экспериментальных системах контроля качества. Причины этого успеха следующие.

Аналоговый генератор MCSG40-3-ULN

• Стабильный и приемлемый уровень цен
• Отличная фазовая когерентность, очень низкий фазовый шум. (3 мрад, Фазовый шум на 1 ГГц:  отстройка 20 кГц -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.)
• Большое число 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 (фазовая когерентность, фазовый шум и т. д.).

RFVSG-X для манипулирования QuBits

Приборы новой серии векторных генераторов сигналов AnaPico 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 тому подобное. Экономическая эффективность в сочетании с хорошими функциями, такими как оперативная гибкость, фазовая-когерентность, чистота сигнала и т. д. делают доступными для клиентов КВАНТОВЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ QC экономичным способом.

4-х канальный векторный генератор RFVSG до 40 ГГц

Схема 2

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 по времени <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 потому 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.)

Схема 3

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.

Отзывы клиентов

(Неполный список из-за NDA. Эти компании приобрели MCSG-ULN для фазовой когерентной генерации в качестве гетеродинов. Некоторые из них также использовали RFSYN20-X и RFVSG-X).

США

• IBM
• Массачусетский университет
• Google

Европа

• Оксфордский университет, Великобритания
• Oxford Quantum Circuits, Великобритания
• Университет Чалмерса, Швеция
• Венский университет, Австрия
• Технологический институт Карлсруэ, Германия
• EPFL, Швейцария
• MiraEx, Швейцария

Азиатско-Тихоокеанский регион

• Университет Цинхуа, Китай
• Пекинский университет, Китай
• Чжэцзянский университет, Китай
• Китайская академия наук
• Университет науки и технологий, Китай
• Институт микросистем Китайской академии наук
• Токийский университет науки, Япония
• Нагойский университет, Япония
• NTT, Япония
• AIST, Япония
• RIKEN, Япония
• NICT, Япония
• ETRI, Корея
• Сиднейский технологический университет, Австралия