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Rétroaction quantique

Produits reliés : HDAWG, UHFQA, SHFQA, SHFSG, SHFQC, PQSC

Description de l'application

Lors de la rétroaction quantique, les résultats de la mesure single-shot des qubits sont utilisés comme éléments de décision pour une rétroaction immédiate sur les qubits. Plus la latence de rétroaction est faible, plus le taux d'erreur de l'opération de rétroaction est faible et plus la fidélité de l'opération globale de traitement de l'information quantique est élevée. Pour garantir la répétabilité, la boucle de rétroaction doit être achevée avec un timing déterministe, même lorsqu'elle passe par plusieurs instruments.

La rétroaction quantique est utilisée dans des applications telles que l'initialisation rapide des qubits, la stabilisation de l'état quantique et la correction des erreurs quantiques. Les cas d'utilisation diffèrent par la complexité du traitement du signal requis entre la mesure et la rétroaction. L'étape de traitement du signal va de la simple transmission de bits d'information numérique aux méthodes de décodage par syndrome.

Les produits de Zurich Instruments couvrent toute la gamme de configurations dans les expériences de qubits supraconducteur et de spin pour atteindre le meilleur compromis entre vitesse de rétroaction d'une part et cout de traitement de l'information d'autre part.

Un système de contrôle pour l'informatique quantique (QCCS) de première génération s'appuie sur des signaux de commande et de lecture des qubits générés dans la bande de base ; un QCCS de deuxième génération fonctionne directement à des fréquences micro-ondes allant jusqu'à 8.5 GHz. Les deux générations d'instruments supportent les mêmes méthodes de rétroaction, mais il existe des différences dans le montage. Dans ce qui suit, nous décrivons les possibilités pour les deux générations.

Stratégies de mesure

Feedback configurations with a QCCS of the first generation

Figure 1: Diagrammes de connexion pour réaliser des opérations de rétroaction basées sur un événement, point à point et à partir du PQSC avec un QCCS de première génération.

Feedback configurations with the QCCS

Figure 2: Diagrammes de connexion pour réaliser des opérations de rétroaction basées sur un événement, point à point et à partir du PQSC avec un QCCS de première génération.

Basé sur un événement : latence jusqu'à 50 ns

Dans la configuration la plus rapide possible (voir Figure 1a), un front montant TTL est envoyé à l'une des entrées de déclenchement du HDAWG pour générer un signal analogique (first-sample-out) sur une paire de sorties 50 ns plus tard. Cette configuration convient lorsque le signal de lecture d'un qubit est délibérément réinjecté sur un qubit spécifique, comme c'est le cas dans la réinitialisation active du qubit. Le signal TTL peut être fourni par un équipement tiers pour la lecture de qubits. Le générateur de signaux SHFSG prend également en charge cette fonctionnalité, comme le montre la Figure 2a, mais avec une latence plus élevée d'environ 200 ns.

Point à point : latence jusqu'à 350 ns

Dans cette configuration (voir Figures 1b et 2b), le résultat de la lecture d'un qubit est renvoyé à la ligne de commande du même qubit par une connexion point à point fixe. Cela correspond notamment au cas de la réinitialisation active. Avec un QCCS de première génération, cela peut être réalisé en connectant un analyseur quantique UHFQA par un câble VHDCI (liaison DIO) à un générateur d'ondes arbitraires HDAWG. La liaison DIO transfère jusqu'à 10 mesures de qubits sous forme de bits numériques ; ces 10 bits d'information peuvent être utilisés pour contrôler 8 signaux de sortie HDAWG. La latence de 380 ns est mesurée entre le moment où le dernier échantillon d'une impulsion de lecture atteint l'entrée de l'UHFQA jusqu'au moment où le premier échantillon d'une impulsion de contrôle est généré sur la sortie du HDAWG. Avec un QCCS de deuxième génération, une boucle de rétroaction point à point peut etre réalisée à l'intérieur d'un instrument unique: le SHFQC, par exemple, regroupe les fonctionnalités de contrôle et lecture et permet ainsi d'atteindre une latence de rétroaction de 350 ns.

Rétroaction à partir du PQSC : latence jusqu'à 550 ns

L'ajout du PQSC en tant que hub central permet la rétroaction entre deux qubits quelconques d'un système donné. Les données multi-qubit peuvent être traitées en temps réel et avec une faible latence en cours de route. Cette méthode est plus puissante que la rétroaction point à point et constitue une condition nécessaire à la correction des erreurs quantiques. Dans un QCCS de la première génération (voir la Figure 1c), plusieurs HDAWG sont connectés à un PQSC par des câbles ZSync et plusieurs UHFQA sont connectés aux HDAWG par des câbles VHDCI (liaisons DIO). Chaque liaison DIO/ZSync transfère jusqu'à 10 qubits de signaux de lecture d'un UHFQA vers le PQSC. La connexion ZSync transfère également des séquences binaires du PQSC au HDAWG, qui peuvent être utilisées comme critère de décision pour la sélection de la forme d'onde. Sur le chemin le plus rapide possible, la latence entre le dernier échantillon entrant sur un UHFQA et le premier échantillon sortant sur un HDAWG est inférieure à 700 ns. Avec un QCCS de deuxième génération, tous les instruments sont reliés au PQSC avec des connexions ZSync, ce qui permet d'atteindre une latence de rétroaction plus faible que 550 ns.

Rétroaction locale et globale avec le SHFQC

Dans un système de grandes dimensions, il est intéressant de combiner les capacités de rétroaction point à point avec celles du PQSC. Cela permet aux utilisateurs d'obtenir la meilleure latence pour les opérations de rétroaction locale, comme la réinitialisation des qubits d'ancilla, ainsi que pour les opérations de rétroaction globale telles que le décodage et la correction du syndrome d'erreur. La Figure 3 montre comment une telle configuration peut être réalisée dans un QCCS de deuxième génération. Chaque SHFQC est utilisé pour contrôler des sous-groupes de qubits ancilla connectés à une ligne de lecture. Des SHFSG supplémentaires fournissent d'autres lignes de commande pour les qubits de données qui ne nécessitent pas d'opérations de réinitialisation pendant le traitement d'un circuit quantique, et les HDAWG fournissent des impulsions de flux pour accorder les fréquences des qubits ou des coupleurs.

Local and global feedback with the QCCS

Figure 3: Diagrammes de connexion pour la réalisation simultanée d'opérations de rétroaction locales e globales avec le QCCS.

Pourquoi choisir Zurich Instruments

  • Faible latence, mise à l'échelle, traitement des données en temps réel : toutes les exigences critiques pour la rétroaction quantique sont satisfaites en même temps.
  • Profitez de la flexibilité pour choisir la configuration optimale pour votre expérience parmi les scénarios évoqués ci-dessus.
  • Implémentez les dernières méthodes expérimentales sans besoin d'avoir des connaissances approfondies en programmation FPGA.

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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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