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Quanten-Feedback-Messungen

Verwandte Produkte: HDAWG, UHFQA, SHFQA, SHFSG, SHFQC, PQSC

Anwendungsbeschreibung

Bei Quanten-Feedback-Messungen werden die Ergebnisse von Single-Shot-Qubit-Messungen als Entscheidungsinput für eine sofortige Rückkopplungsaktion auf die Qubits verwendet. Je kürzer die Latenzzeit ist, desto geringer wird der Fehler der Rückkopplung und desto höher die Güte der Gesamtoperation. Um die Wiederholbarkeit zu gewährleisten, muss die gesamte Rückkopplungsschleife mit deterministischem Timing abgeschlossen werden, selbst wenn mehrere Instrumente durchlaufen werden.

Quanten-Feedback-Messungen werden in Anwendungen wie der schnellen Qubit-Initialisierung, der Quantenzustandsstabilisierung und der Quantenfehlerkorrektur verwendet. Die Anwendungsfälle unterscheiden sich in der Komplexität der erforderlichen Signalverarbeitung zwischen Messung und Rückkopplung; der Signalverarbeitungsschritt reicht von der einfachen Weiterleitung digitaler Informationsbits bis zur anspruchsvollen Fehlersyndrom-Dekodierung.

Die Produkte von Zurich Instruments decken das gesamte Spektrum der Konfigurationen ab, die in Supraleitungs- und Spin-Qubit-Experimenten benötigt werden, um sicherzustellen, dass der beste Kompromiss zwischen Rückkopplungsgeschwindigkeit und Komplexitätsbehandlung erreicht wird.

Ein Quantum Computing Control System (QCCS) der ersten Generation von Zurich Instruments beruht auf Qubit-Steuerung und im Basisband erzeugten Auslesesignalen; das QCCS der zweiten Generation arbeitet direkt mit Mikrowellenfrequenzen bis 8.5 GHz. Beide Instrumentengenerationen unterstützen die gleichen Feedbackmethoden, jedoch mit Unterschieden in der Implementierung. Im Folgenden beschreiben wir die Möglichkeiten und Umsetzungen für beide Generationen.

Messverfahren

Feedback configurations with a QCCS of the first generation

Abbildung 1: Anschlussdiagramme zur Realisierung von ereignisbasierten, Punkt-zu-Punkt- und PQSC-fähigen Feedback-Operationen mit einem QCCS der ersten Generation.

Feedback configurations with a QCCS of the second generation

Abbildung 2: Anschlussdiagramme zur Realisierung von ereignisbasierten, Punkt-zu-Punkt- und PQSC-fähigen Feedback-Operationen mit einem QCCS der zweiten Generation.

Ereignisbasiert: Bis zu 50 ns Latenzzeit

In der schnellstmöglichen Konfiguration in Abbildung 1a wird eine ansteigende TTL-Flanke an einen der Triggereingänge des HDAWG gesendet, um 50 ns später ein analoges Signal (First-Sample-Out) auf einem Ausgangspaar zu erzeugen. Diese Konfiguration ist geeignet, wenn das Auslesesignal von einem Qubit absichtlich auf ein spezifisches Qubit zurückgeführt wird, wie dies bei aktivem Qubit-Reset der Fall ist. Das TTL-Signal kann auch für die Qubit-Auslesung von Geräten anderer Hersteller geliefert werden. Auch der SHFSG unterstützt diese Funktionalität wie in Abbildung 2b gezeigt, jedoch mit einer höheren Latenz von ca. 200 ns.

Punkt-zu-Punkt: Bis zu 300 ns Latenzzeit

In dieser Konfiguration, gezeigt in Abbildung 1b und 2b, das Ausleseergebnis eines Qubits wird über eine feste Punkt-zu-Punkt-Verbindung auf die Kontrollleitung desselben Qubits zurückgeführt. Dies passt gut zum Anwendungsfall des aktiven Zurücksetzens. In einem QCCS der ersten Generation kann dies durch Verbinden ist eines UHFQA über ein VHDCI-Kabel (DIO-Link) mit einem HDAWG realisiert werden. Der DIO-Link überträgt bis zu 10 Qubit Auslesesignale als digitale Bits; diese 10 Informationsbits können zur Steuerung von 8 HDAWG-Ausgangssignalen verwendet werden. Die Latenzzeit von 380 ns wird gemessen von dem Zeitpunkt, zu dem der letzte Abtastwert eines Ausleseimpulses in den Signaleingang des UHFQA eintritt, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem der erste Abtastwert eines Steuerimpulses am Wellenausgang des HDAWG erzeugt wird. In einem QCCS der zweiten Generation kann eine Punkt-zu-Punkt-Rückkopplungsschleife direkt im Gerät realisiert werden: Der SHFQC beinhaltet Steuerungs- und Auslesefunktionalitäten, und die Feedback-Latenz wird weiter auf 300 ns reduziert.

Da es sich bei der DIO-Verbindung um eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung handelt, ist diese Konfiguration nur auf eine Teilmenge aller möglichen Rückkopplungsoptionen anwendbar.

PQSC-basiert: Bis zu 550 ns Latenzzeit

Das Verwenden des PQSC als zentralem Hub ermöglicht Feedback zwischen zwei beliebigen Qubits in einem System. Multi-Qubit-Daten können in Echtzeit und mit geringer Latenz verarbeitet werden. Diese Methode ist leistungsfähiger als Punkt-zu-Punkt-Feedback und ist eine Voraussetzung für skalierbares Quantencomputing und Quantenfehlerkorrektur. In einem in Abbildung 1c gezeigten QCCS der ersten Generation sind mehrere HDAWGs über ZSync-Kabel mit einem PQSC verbunden und mehrere UHFQAs sind über VHDCI-Kabel (DIO-Links) mit den HDAWGs verbunden. Jede DIO-Link/ZSync-Verbindung überträgt bis zu 10 Qubit-Auslesesignale von einem UHFQA zum PQSC. Die ZSync-Verbindung überträgt auch Bitwörter vom PQSC zum HDAWG, die als Entscheidungseingang für die Wellenformauswahl verwendet werden können. Auf dem schnellstmöglichen Weg beträgt die Latenz zwischen dem letzten eingehenden Sample in einem beliebigen UHFQA und dem ersten Sample-out in einem beliebigen HDAWG weniger als 700 ns. Bei einem in Abbildung 2c gezeigten QCCS der zweiten Generation verbinden sich alle Komponenten direkt über ZSync mit dem PQSC und die Latenzzeit wird auf unter 550 ns reduziert.

Lokales und globales Feedback mit dem SHFQC

In einem großen System ist es sinnvoll, Punkt-zu-Punkt mit PQSC-aktivierten Feedback-Funktionen zu kombinieren. Auf diese Weise können Benutzer die beste Latenz für lokale Feedback-Operationen wie das Zurücksetzen von Ancilla-Qubits sowie für globale Feedback-Operationen wie die Fehlersyndrom-Dekodierung und -Korrektur erzielen. Abbildung 3 zeigt, wie eine solche Konfiguration in einem QCCS der zweiten Generation realisiert werden kann. Jeder SHFQC wird verwendet, um Untergruppen von Ancilla-Qubits zu steuern, die mit einer Ausleseleitung verbunden sind. Zusätzliche SHFSGs bieten weitere Steuerleitungen für Daten-Qubits, die während der Verarbeitung einer Quantenschaltung keine Reset-Operationen erfordern, und die HDAWGs liefern Flussimpulse zum Abstimmen von Qubit- oder Kopplerfrequenzen.

Local and global feedback with the QCCS

Abbildung 3: Anschlussdiagramm zur Realisierung gleichzeitiger lokaler und globaler Feedback-Operationen mit dem QCCS.

Vorteile mit Zurich Instruments

  • Geringe Latenzzeit, Skalierbarkeit, leistungsstarke Echtzeit-Datenverarbeitung: alle kritischen Anforderungen für Ihre Quanten-Feedback-Messungen werden gleichzeitig erfüllt.
  • Nutzen Sie die Flexibilität, die optimale Konfiguration für Ihr Experiment unter den oben diskutierten Szenarien zu wählen.
  • Sie können hochmoderne experimentelle Methoden verwenden, ohne dass umfangreiche Kenntnisse der FPGA-Programmierung erforderlich sind.

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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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