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Computazione quantistica con qubit superconduttori

Prodotti correlati: QCCS, HDAWG, SHFSG, SHFQA,PQSC

Descrizione dell'applicazione

I qubit superconduttori sono una delle tecnologie più promettenti per la realizzazione di un computer quantistico scalabile e resistent agli errori. Negli ultimi due decenni sono stati fatti enormi progressi, con importanti passi avanti riportati in tutto il mondo nei laboratori universitari, negli istituti governativi e in un numero crescente di aziende private. Mentre la ricerca e lo sviluppo in quest'area continuano ad un ritmo sempre maggiore, i singoli attori devono concentrarsi sulle loro competenze chiave - fabbricazione e caratterizzazione dei chip, funzionamento dei sistemi quantistici, controllo dei qubit o progettazione di algoritmi.

Zurich Instruments è impegnata a fornire il primo sistema commerciale al mondo per il controllo dei sistemi quantistici (QCCS), in grado di gestire 100 qubit e oltre. Il QCCS contiene l'hardware classico e il software necessari per collegare i qubit fisici (quali i circuiti superconduttori) ai livelli superiori dello stack quantistico in cui sono definiti programmi qubit-agnostici.

      Quali sfide aiutiamo i nostri clienti ad affrontare?

      • Controllo dei qubit: Ottenete la massima fidelity per i gate quantistici di uso comune grazie alla generazione di impulsi a basso rumore, alta larghezza di banda e stabilità e ad un sequenziatore potente ed efficiente in termini di memoria.
      • Lettura dei qubit: Affidatevi alla lettura veloce e ad alta fidelity fino a 64 qubit per strumento a bassa latenza e per diversi stati.
      • Feedback quantistico: Combinate il controllo e la lettura dei qubit in un'operazione di feedback a bassa latenza - dal reset attivo su un singolo qubit alla decodifica della sindrome a livello di sistema per i codici di correzione degli errori.
      • Controllo di un sistema quantistico scalabile: Gestite il sistema di controllo come un singolo strumento grazie alla sincronizzazione globale dei tempi, alla comunicazione a bassa latenza tra gli strumenti e a una potente interfaccia software compatibile con i principali software di programmazione quantistica di alto livello.

      Strategie di misura

      Multi_Qubit_Setup

      Il QCCS rappresenta lo stato dell'arte per il controllo dei processori quantistici superconduttori. Fornisce agli utenti un sistema completamente programmabile - che comprende lo HDAWG, lo SHFSG, lo SHFQA e il PQSC - che presenta l'interfaccia utente LabOne®, il LabOne QCCS Software e le API e i driver per i framework più comuni come QuCoDes e Labber. Le funzionalità più importanti includono l'inizializzazione e la caratterizzazione dei qubit, l'esecuzione dei gate quantistici, la lettura di molti qubit e le operazioni di feedback.

      Caratterizzazione e calibrazione dei qubit

      • Compito: Trovare la frequenza di ogni qubit e del suo risonatore di lettura, caratterizzare le prestazioni del qubit e ottimizzare la fidelity di lettura 'single-shot'.
      • Caratteristiche: L'analizzatore quantistico SHFQA ha modalità dedicate per la spettroscopia del risonatore e per la lettura 'multiplexed' dei qubit con discriminazione multi-stato. Il generatore di segnali SHFSG, che utilizza lo stesso schema di conversione di frequenza dello SHFQA, e il suo potente sequenziatore permettono una generazione di impulsi lineare anche per gate ultraveloci a singolo qubit.
      • Vantaggi: Approfittate di una calibrazione veloce e automatizzata multi-qubit. La conversione di frequenza integrata, lineare e a banda larga garantisce un tempo di configurazione minimo che richiede solo un singolo cavo a microonde per ogni linea di controllo e lettura.

      La caratterizzazione e la calibrazione di un grande circuito superconduttore possono richiedere molto tempo; l'uscita veloce dello stato multi-qubit dopo la lettura è un must per l'esecuzione di algoritmi ad alta fidelity. Con modalità di misura dedicate per la spettroscopia e la lettura 'multiplexed', lo SHFQA semplifica il processo di misura e produce direttamente gli stati digitali dei qubit. Lo SHFSG permette di realizzare gate a singolo qubit ad alta fidelity attraverso un semplice scaling dell'ampiezza di uscita di un 'pi-pulse'.

        Funzionamento di gate ad alta fidelity per la computazione quantistica

        • Compito: Ottimizzare la fidelity dei gate, eseguire algoritmi quantistici complessi con o senza correzione degli errori e caratterizzare le loro prestazioni e limitazioni.
        • Caratteristiche: Il generatore di segnali SHFSG copre l'intera gamma di frequenze da DC a 8.5 GHz, consentendo di generare una varietà di gate a uno e due qubit. Lo SHFSG utilizza uno schema di conversione in frequenza, noto come supereterodina doppia, che assicura segnali a basso rumore e privi di spurie per gate ad alta fidelity, eliminando al contempo la necessità di calibrare del mixer. Il generatore di forme d'onda arbitrarie HDAWG ha una potenza di uscita di 18 dBm e un basso rumore di fase: combinato con l'opzione di precompensazione in tempo reale HDAWG-PC, lo HDAWG è ideale per impulsi di flusso per gate a due qubit ad alta fidelity.
        • Vantaggi: Il QCCS è un prodotto ad alte prestazioni adatto ad ambizioni crescenti.

        La realizzazione di algoritmi quantistici complessi si basa su gate universali a uno e due qubit ad alta fidelity. Nei sistemi superconduttori, la fidelity dei gate a due qubit può essere limitata dal rumore degli impulsi di flusso o dal rumore di fase per i gate parametrici a due qubit. Le eccellenti prestazioni di rumore dello HDAWG consentono fidelity di gate a impulsi di flusso del 99.9%, mentre le perdite verso stati superiori dei qubit possono essere minimizzate grazie all'opzione HDAWG-PC. La gamma di frequenze di uscita dello SHFSG va da DC a 8.5 GHz, il che permette di generare gate a singolo qubit e gate a risonanza incrociata e parametrici a due qubit - il tutto senza bisogno di calibrare il mixer.

        Feedback veloce per il reset attivo e la decodifica della sindrome

        • Compito: Ottenere prestazioni migliori di un algoritmo attraverso una migliore inizializzazione dei qubit e la correzione degli errori.
        • Caratteristiche: La comunicazione multi-dispositivo con bassa latenza è possibile attraverso connessioni trigger per piccoli sistemi e attraverso ZSync e il PQSC per sistemi di 100 qubit e oltre. Il PQSC assicura il 'register-forwarding' per il reset attivo, la decodifica della sindrome globale e l'accesso degli utenti all'FPGA per consentire lo sviluppo dei propri codici di correzione degli errori.
        • Vantaggi: La discriminazione dei qubit in tempo reale dello SHFQA e il processo decisionale e di ramificazione in tempo reale di tutti i nostri strumenti di controllo e lettura (SHFQA, SHFSG e HDAWG), sincronizzati e interfacciati attraverso il PQSC, assicurano che i codici di feedback più avanzati possano essere realizzati - dal reset attivo veloce per l'inizializzazione dei qubit alla decodifica globale della sindrome dei 'surface codes'.

        La comunicazione multi-dispositivo via ZSync attraverso un PQSC, insieme alla compatibilità con linguaggi di programmazione quantistica di alto livello come Qiskit, rendono il QCCS un sistema scalabile - la scelta ideale per un grande circuito superconduttore finalizzato alla computazione quantistica.

        Perché scegliere Zurich Instruments

        • Approfittate del lavoro pionieristico svolto dai nostri partner, il Prof. Andreas Wallraff (ETH Zurigo, Svizzera) e il Prof. Leo DiCarlo (TU Delft, Paesi Bassi), descritto in questa intervista.
        • Beneficiate del supporto tecnico fornito dai nostri specialisti di computazione quantistica, che contano anni di esperienza diretta con i qubit superconduttori.
        • Il QCCS è una soluzione collaudata con un 'track record' di pubblicazioni di alta qualità (si veda sotto).
        • Tutte le fasi sperimentali sono prese in considerazione con il QCCS: bring-up, caratterizzazione, calibrazione e computazione.
        • Risparmiate tempo con un prodotto software completo: un'interfaccia utente potente, un progresso di programmazione virtualizzato e supporto e aggiornamenti continui del software (per LabOne e le sue API).
        • Aggiungete il QCCS alla vostra tabella di marcia per l'integrazione di software di alto livello quali Qiskit.

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        Video

        Controllo di 100 qubit e oltre

        Zurich Instruments - Qubit control for 100 qubits and more

        Precompensazione in tempo reale per lo 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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