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Informatique quantique avec qubits supraconducteurs

Produits reliés : QCCS, HDAWG, SHFSG, SHFQA,PQSC

Description de l'application

Les qubits supraconducteurs sont l'une des technologies les plus prometteuses pour la réalisation d'un ordinateur quantique tolérant aux erreurs. D'énormes progrès ont été réalisés au cours des deux dernières décennies, des avancées majeures étant signalées dans les laboratoires universitaires, les instituts gouvernementaux et un nombre croissant d'entreprises privées. Alors que la recherche et le développement dans ce domaine se poursuivent à un rythme toujours croissant, les différents acteurs doivent se concentrer sur leurs compétences clés - fabrication et caractérisation des puces quantiques, opération des systèmes quantiques, contrôle des qubits ou conception d'algorithmes.

Zurich Instruments s'est engagé à fournir le premier système commercial de contrôle pour l'informatique quantique (QCCS) au monde, capable de s'adapter à une échelle dépassant les 100 qubits. Le QCCS contient le matériel classique et les logiciels nécessaires pour connecter les qubits physiques (tels que les circuits supraconducteurs) aux niveaux supérieurs du stack quantique qui définissent les programmes exécutés sur l'ordinateur quantique.

      Quels sont les défis que nous aidons nos clients à relever ?

      • Contrôle des qubits : Obtenez une fidélité maximale sur toutes les plus importantes portes quantiques grâce à la génération d'impulsions stables à faible bruit et à large bande passante ainsi qu'à un séquenceur puissant et efficace en termes de mémoire.
      • Lecture des qubits : Comptez sur une lecture rapide avec haute fidélité de jusqu'à 64 qubits par instrument, avec une faible latence et pour des états multiples.
      • Rétroaction quantique : Combinez le contrôle et la lecture des qubits pour une rétroaction à faible latence - à partir de la réinitialisation active d'un qubit individuel jusqu'au décodage de syndrome à l'échelle globale du système pour les codes de correction d'erreurs.
      • Contrôle de systèmes quantiques mis à l'échelle : Faites fonctionner votre système de contrôle comme un seul instrument grâce à la synchronisation temporelle au niveau global, à la communication à faible latence entre les instruments et à une interface logicielle puissante compatible avec les principaux logiciels de programmation quantique de haut niveau.

      Stratégies de mesure

      Multi_Qubit_Setup

      Le QCCS représente l'état de l'art pour le contrôle des processeurs quantiques supraconducteurs. Il fournit aux utilisateurs un système entièrement programmable - comprenant le HDAWG, le SHFSG, le SHFQA et le PQSC - qui comporte l'interface utilisateur LabOne®, le LabOne QCCS Software, ainsi que des API et des pilotes pour les frameworks les plus courants tels que QuCoDes et Labber. Les capacités les plus importantes comprennent la caractérisation et l'initialisation des qubits, l'exécution des portes quantiques, la lecture de plusieurs qubits et les opérations de rétroaction.

      Caractérisation et étalonnage des qubits

      • But: Déterminer la fréquence de chaque qubit et de son résonateur de lecture, caractériser les performances du qubit et optimiser la fidélité de lecture 'single-shot'.
      • Caractéristiques: L'analyseur quantique SHFQA dispose de modes dédiés à la spectroscopie des résonateurs à la limite de la vitesse et à la lecture multiplexée des qubits avec discrimination multi-état. En utilisant la même technique de superhétérodyne double que le SHFQA, le générateur de signaux SHFSG et son puissant séquenceur permettent de générer des impulsions linéaires, même pour les portes quantiques ultra-rapides à un seul qubit.
      • Avantages: Profitez d'une calibration rapide et automatisée pour de nombreux qubits grâce aux capacités matérielles de moyennage et d'exécution. La conversion de fréquence intégrée, linéaire et à large bande garantit un temps d'installation minimal ne nécessitant qu'un seul câble micro-ondes pour chaque ligne de contrôle et de lecture.

      La caractérisation et l'étalonnage d'un grand circuit supraconducteur peuvent prendre beaucoup de temps. En outre, une sortie rapide de l'état des qubits après la lecture est indispensable à l'exécution d'algorithmes à haute fidélité. Grâce à des modes de mesure dédiés à la spectroscopie et à la lecture multiplexée, le SHFQA simplifie le processus et fournit directement les états numériques des qubits. Le SHFSG, avec sa conversion en fréquence extrêmement linéaire, permet le fonctionnement d'une porte quantique à un qubit à haute-fidélité en mettant à l'échelle l'amplitude de sortie d'une 'pi-pulse'.

        Opération de portes quantiques haute-fidélité pour l'informatique quantique

        • But: Optimiser la fidélité des portes quantiques, exécuter des algorithmes quantiques complexes avec ou sans correction d'erreurs et caractériser leurs performances et leurs limites.
        • Caractéristiques: Le générateur de signaux SHFSG couvre toute la gamme de fréquences de DC à 8.5 GHz, ce qui lui permet de générer une variété de portes quantiques à un ou deux qubits. Le SHFSG utilise une technique de conversion en fréquence superhétérodyne double qui garantit des signaux à faible bruit et sans parasites pour des portes quantiques à haute fidélité et tout en éliminant le besoin de calibrer le mélangeur. Le générateur de formes d'onde arbitraires HDAWG a une puissance de sortie de 18 dBm et un faible bruit de phase : combiné avec l'option de précompensation en temps réel HDAWG-PC, le HDAWG est idéal pour les impulsions de flux pour les portes quantiques à deux qubits à haute fidélité.
        • Avantages: Le QCCS est un produit de haute performance adapté à des ambitions croissantes.

        La réalisation d'algorithmes quantiques complexes repose sur des portes quantiques universelles à un ou deux qubits à haute fidélité. Dans les systèmes supraconducteurs, la fidélité des portes quantiques à deux qubits peut être limitée par le bruit des impulsions de flux ou le bruit de phase pour les portes quantiques à deux qubits paramétriques. Les excellentes performances en matière de bruit du HDAWG permettent des fidélités de porte d'impulsion de flux de 99.9 %, tandis que les fuites vers des états de qubit supérieurs peuvent être minimisées grâce à l'option HDAWG-PC. La gamme de fréquences de sortie du SHFSG s'étend de DC à 8.5 GHz, ce qui lui permet de générer des portes quantiques à un seul qubit ainsi que des portes à deux qubits à résonance croisée et paramétriques, le tout sans avoir à calibrer le mélangeur.

        Rétroaction rapide pour la réinitialisation active et le décodage de syndrome

        • But: Obtenir de meilleures performances algorithmiques grâce à l'amélioration de l'initialisation des qubits et de la correction des erreurs.
        • Fonctionnalités: La communication multi-dispositifs avec une faible latence est possible grâce à des connexions de déclenchement pour les petits systèmes et grâce à ZSync et au PQSC pour les systèmes avec 100 qubits ou plus. Le PQSC fournit un transfert de registre pour une réinitialisation active, un décodage de syndrome global prêt à l'emploi et un accès utilisateur au FPGA pour permettre le développement de codes de correction d'erreur personnalisés.
        • Avantages: La discrimination de qubits en temps réel du SHFQA et la prise de décision et la dérivation en temps réel de tous nos instruments de contrôle et de lecture (SHFQA, SHFSG et HDAWG), synchronisés et interfacés via le PQSC, garantissent la mise en œuvre des codes de rétroaction les plus avancés - de la réinitialisation active rapide pour l'initialisation des qubits au décodage de syndrome global des 'surface codes'.

        La communication multi-dispositif via ZSync à travers un PQSC, ainsi que la compatibilité avec les langages de programmation quantique de haut niveau tels que Qiskit, font du QCCS le choix idéal pour un grand circuit supraconducteur destiné à l'informatique quantique.

        Pourquoi choisir Zurich Instruments

        • Profitez du travail de pionnier effectué par nos partenaires de projet, le professeur Andreas Wallraff (ETH Zurich, Suisse) et le professeur Leo DiCarlo (TU Delft, Pays-Bas), tel qu'il décrit dans cette interview.
        • Profitez du solide soutien technique fourni par nos spécialistes de l'informatique quantique, qui comptent des années d'expérience dans le domaine des qubits supraconducteurs.
        • Le QCCS est une solution qui a fait ses preuves et qui a fait l'objet de publications de grande qualité (voir ci-dessous).
        • Toutes les étapes expérimentales sont prises en compte avec le QCCS : mise au point, caractérisation, calibration et calcul.
        • Gagnez du temps grâce à des logiciels complets : une interface utilisateur puissante, la progression de la programmation virtualisée et un support et des mises à jour continus des logiciels (pour LabOne et ses API).
        • Ajoutez le QCCS à votre feuille de route pour intégrer des logiciels du stack quantique de haut niveau tels que Qiskit.

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        Vidéos

        Contrôle de 100 qubits et plus

        Zurich Instruments - Qubit control for 100 qubits and more

        Précompensation en temps réel pour le HDAWG

        AWG Real-time precompensation

        Application Notes

        Zurich Instruments

        Frequency Up-Conversion for Arbitrary Waveform Generators

        Zurich Instruments

        Superconducting Qubit Characterization

        Zurich Instruments

        Active Reset of Superconducting Qubits

        Zurich Instruments

        Bell State Preparation of Superconducting Qubits

        Publications

        Bengtsson, A. et al.

        Improved success probability with greater circuit depth for the quantum approximate optimization algorithm

        Phys. Rev. Applied 14, 034010 (2020)

        Rol, M.A. et al.

        Time-domain characterization and correction of on-chip distortion of control pulses in a quantum processor

        Appl. Phys. Lett. 116, 054001 (2020)

        Rol, M.A. et al.

        Fast, high-fidelity conditional-phase gate exploiting leakage interference in weakly anharmonic superconducting qubits

        Phys. Rev. Lett. 123, 120502 (2019)

        Bultink, C.C. et al.

        General method for extracting the quantum efficiency of dispersive qubit readout in circuit QED

        Appl. Phys. Lett. 112, 092601 (2018)

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