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量子反馈控制

相关产品: HDAWGUHFQASHFQASHFSGSHFQCPQSC

应用简述

在量子反馈控制实验中,量子态的单次测量结果可以作为决策输入用来对量子比特进行即时反馈。更短的反馈时间意味着更低的反馈误差率和更高的量子信息处理的操作保真度。在使用多台仪器时,反馈环路需要在完全确定的时间点实现以确保实验的可重复性。

量子反馈控制的应用主要包括:快速量子态初始化,量子态稳定子和量子纠错。实际应用的差别体现在测量和反馈控制之间所需信号处理的复杂度。它可以通过一个简单的数字比特传递信息,也可以通过要求苛刻的错误伴随式解码。

苏黎世仪器(Zurich Instruments)的产品涵盖了超导和自旋量子比特实验所需的全部配置,可以确保用户在反馈速度和处理复杂度之间取得最佳平衡。

第一代 Zurich Instruments 量子计算测控系统 (QCCS) 基于基带信号的生产和采集来控制和读取量子比特; 第二代 QCCS 可以直接输出和采集高达 8.5 GHz 的信号。 两代仪器都支持相同的反馈方法,但在实现上有所不同。 在下文中,我们描述了使用两代系统来实现反馈的方案。

测量方案

Feedback configurations with a QCCS of the first generation

图 1:使用 QCCS 第一代产品来实现基于事件的,点到点的及使用PQSC进行反馈操作的框图。

Feedback configurations with a QCCS of the second generation

图 2:使用 QCCS 第二代产品来实现基于事件的,点到点的及使用 PQSC 进行反馈操作的框图。

测量方案

基于事件:低至 50 ns 延迟

最低延迟的配置,如图 1a,当 一个 TTL 的上升沿到达 HDAWG 任意波形发生器的触发输入时 ,HDAWG 可在 50 ns 后在一对输出通道上输出模拟信号(首个采样点)。可使用此配置进行主动量子比特重置,即用 1 个量子比特的读取结果反馈控制自身的量子态或其它特定的量子比特。 TTL 信号也可由量子态读取的第三方设备提供。SHFSG 信号发生器也支持这一功能,如图 2b,其延迟为 200 ns。

点对点:低至 300 ns 延迟

在此配置中,如图 1b,一个量子比特的读取结果通过点到点的连接反馈到同一量子比特的控制端。这一方案适合于主动量子比特重置反馈。对于第一代 QCCS, 可以通过使用 VHDCI 电缆(DIO 链接)将 UHFQA 量子分析仪连接到 HDAWG 来实现。DIO 链接最多可传输 10 个数字化的量子比特读取结果;这 10 个比特的信息可用于控制 HDAWG 的 8 个输出通道。从 UHFQA 的信号输入端采集读取脉冲的最后一个采样点开始,到 HDAWG 的波形输出端生成控制脉冲的第一个采样点为止,总的延迟时间为 380 ns。对于第二代 QCCS,点到点反馈可以直接由一台仪器实现:SHFQC 量子测控仪,包含量子比特控制和读取功能,其反馈延迟低至 300 ns。

 

PQSC:低至 550 ns 延迟

PQSC 可编程量子系统控制器作为中心控制器可用来实现系统中任意两个比特间的反馈操作,以及低延迟实时处理多量子比特数据。它比点到点的反馈方案更为普适,是实现可扩展量子计算和量子纠错的先决条件。对于第一代 QCCS,如图 1c 所示,多台 HDAWG 通过 ZSync 电缆连接到同一台 PQSC ,多台 UHFQA 通过 VHDCI 电缆(DIO 链接)连接到 多台 HDAWG。每个 DIO 链接 / ZSync 最多可将 10 个量子比特的读取结果从 UHFQA 传输到 PQSC。ZSync 连接可将数字化的量子态信息从 PQSC 传输到 HDAWG,进而用于决策输出特定波形。任何 UHFQA 的最后一个输入采样点与任何 HDAWG 的第一个输出采样点之间的延迟低于 700 ns。对于第二代 QCCS,如图 2c,所有仪器均可通过 ZSync 连接到 PQSC, 延迟也低至 550 ns。

SHFQC 本机或全局反馈

在较大的系统中,结合点到点反馈和 PQSC 反馈的方案具有更突出的优势。它可以使用户实现极低延迟的本机反馈,如辅助量子比特重置,和全局反馈,如伴随式译码和纠错。图 3 描述了如何用第二代 QCCS 来实现这一方案。每台 SHFQC 都可以用于控制一组连接到同一读取链路的辅助量子比特。此外,SHFQC 在实验中还可以为不需要重置操作的数据量子比特提供控制信号,而 HDAWG 可以提供用于调节量子比特或耦合器频率的磁通脉冲。

Local and global feedback with the QCCS

图 3:使用 QCCS 实现本机和全局反馈操作的框图。

选择苏黎世仪器的优势

  • 低延迟,可扩展性,强大的实时数据处理功能:同时满足量子反馈控制的所有关键需求。
  • 极大的灵活性,用户可以在上述方案中按实验需求选择最佳的配置。
  • 无需学习大量的 FPGA 编程知识,即可体验最新的实验方法。

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Publications

Andersen, C.K. et al.

Entanglement stabilization using ancilla-based parity detection and real-time feedback in superconducting circuits

npj Quantum Inf. 5, 69 (2019)

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