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초전도 큐비트 양자 컴퓨팅

관련 제품 : QCCS , HDAWG , UHFQA , PQSC

응용기술 설명

초전도 양자 컴퓨팅은 확장 가능한 양자 컴퓨터의 실현을 위한 가장 유망한 기술 중 하나입니다. 지난 20년 동안 대학 실험실, 정부 기관 및 점점 더 많은 민간 기업에서 전 세계적으로 주요 단계가 보고되며 엄청난 진전이 이루어졌습니다. 이 분야의 연구 개발이 지속적으로 증가하고 있기 때문에, 각 참가자는 큐비트 제작, 큐비트 특성화 또는 알고리즘 설계와 같은 핵심 역량에 집중해야 합니다.

Zurich Instruments는 최대 100 큐비트까지 확장 할 수있는 세계 최초의 상용 양자 컴퓨팅 제어 시스템 (Quantum Computing Control System: QCCS) 을 제공하기 위해 노력하고 있습니다. QCCS에는 양자 컴퓨터에서 실행되는 프로그램을 정의하는 양자 스택의 상위 레벨에 물리적 큐비트 (예: 초전도 회로)를 연결하는데 필요한 하드웨어 및 소프트웨어가 포함되어 있습니다.

고객이 해결할 수 있도록 지원하는 솔루션은 아래 항목들입니다.

  • 큐비트 제어 : 나노초 이하의 시간분해능으로 매우 낮은 위상 노이즈 및 고신뢰성 게이트 작동을 위한 실시간 사전 보정 기능.
  • 큐비트 판독 : 다중 큐비트에 대한 빠르고 충실한 판독 및 낮은 지연 실시간 피드백.
  • 양자 프로그래밍 : 주요 고급 양자 프로그래밍 소프트웨어와 호환되는 강력한 소프트웨어 인터페이스.
  • 확장 가능한 양자 컴퓨팅 : 시스템 전체의 타이밍 동기화 및 계측기 간의 지연 시간이 짧은 통신.

측정 전략

Multi-qubit setup with PQSC, UHFQA, HDAWG and HDIQ

QCCS는 초전도 양자 프로세서를 제어하기 위한 최첨단 기술을 나타냅니다. 이 제품은 사용자에게 완벽하게 프로그래밍 가능한 시스템(HDAWG, UHFQA 및 PQSC)을 제공하며, 이 장비들은  LabOne® 사용자 인터페이스와 Python, C/C++, MATLAB®, LabVIEW™ 및 .NET를 위한 API를 제공합니다. 큐비트 특성화 및 초기화, 게이트 작동, 판독 및 분기 등의 중요한 기능을 포함합니다.

가져오기

  • 작업 : 증폭 체인의 노이즈 성능을 특성화하고 최적의 신호 대 잡음비(SNR)에 맞게 최적화합니다.
  • 특징 : UHF FFT 스코프는 노이즈 특성화를 위해 -155 dBc/Hz 미만의 SSB 위상 노이즈를 보장합니다. Labber 및 QCoDeS에 대한 기술 지원이 제공됩니다.
  • 장점 : 설정의 복잡성을 줄임 – 가져오기 단계와 다른 실험 단계간에 기기를 전환 할 필요가 없습니다.

증폭기의 노이즈 성능을 최적화하려면, 위상 노이즈가 낮은 스펙트럼 분석기가 필요합니다. UHFQA 양자분석기(Quantum Analyzer)는 장착된 저노이즈 FFT 스코프를 사용하여 가져오기와 후속 실험 단계에 모두 적합합니다. 이렇게 하면 수동 재연결이나 자동 스위칭이 필요하지 않습니다. Labber 및 QCoDeS용 드라이버도 QCCS에서 완전히 지원됩니다.

특성화 및 교정

  • 작업 : 각 큐비트 및 공진기 주파수를 찾고, 믹서를 보정하고, 큐비트의 성능을 특성화하고, 싱글샷 판독 충실도를 최적화합니다.
  • 특징 : UHFQA의 두 가지 판독 모드는 스펙트로스코피 전용모드 및 다중 판독 모드입니다. UHFQA의 직접 디지털 큐비트 출력은 컴퓨터에 데이터를 업로드하거나 다운로드할 필요가 없습니다. 낮은 대기 시간으로 빠른 피드백 작동이 가능합니다.
  • 장점 : 확장 가능한 초전도 회로를 위한 빠르고 자동화된 보정뿐 아니라 빠르게 업데이트된 소프트웨어 기능과 광범위한 프로그래밍 지원을 활용할 수 있습니다.

대형 초전도 회로의 특성화 및 교정에는 시간이 많이 걸릴 수 있습니다 ; 더 중요한 것은, 판독 후 빠른 멀티 큐비트 상태 출력이 조건부 피드백 작업에 필수적이라는 것입니다. UHFQA는 스펙트로스코피 전용모드 및 다중 판독 모드를 사용하여 프로세스를 단순화하고 디지털 큐비트 상태를 직접 출력합니다.

계산

  • 작업 : 큐비트 게이트 충실도(fidelity)를 최적화하고, 오류수정(error correction) 여부에 관계없이 복잡한 양자 알고리즘을 실행하고 성능과 한계를 특성화합니다.
  • 특징 : HDAWG 다중 채널 임의 파형 발생기 출력은 5 Vpp에서 낮은 위상 노이즈로 99.9% 이상의 게이트 충실도를 가능하게합니다. HDAWG-PC 실시간 사전 보상(Real-Time Precompensation) 옵션은 고충실도 2-큐비트 게이트를 위해 더 높은 큐비트 상태로의 누출을 최소화하도록 도와줍니다. 지연 시간이 짧은 다중 장치 통신은, 소규모 시스템 (1 HDAWG + 1 UHFQA)의 경우 DIO 연결을 통해 가능합니다. 최대 100 큐비트 (1 PQSC + n HDAWG + m UHFQA) 시스템의 경우 ZSync를 통해 가능합니다.
  • 장점 : QCCS는 확장가능성에 적합한 고성능 제품입니다.

복잡한 양자 알고리즘의 실현은 고 충실도 범용 단일 및 2-큐비트 게이트에 의존합니다. 초전도 시스템에서, 2-큐비트 게이트의 충실도는 플럭스 펄스 노이즈에 의해 제한 될 수 있습니다. HDAWG의 탁월한 노이즈 성능은 99.9%의 게이트 충실도를 가능하게하며, HDAWG-PC 실시간 사전 보상 옵션 덕분에 더 높은 큐비트 상태로의 누출을 최소화 할 수 있습니다. DIO 또는 트리거 출력을 통한 다중 장치 통신은, Qiskit과 같은 고급 양자 프로그래밍 언어와의 호환성과 함께, QCCS를 확장 가능한 시스템으로 만들고 실제 양자 컴퓨팅을 목표로 하는 대형 초전도 회로에 이상적인 선택입니다.

취리히인스트루먼트 선택의 이점

  • 이 인터뷰에 설명된 대로, 당사의 프로젝트 파트너인 Andreas Wallraff 교수 (스위스 ETH 취리히)와 Leo DiCarlo 교수 (네덜란드 TU Delft)가 수행한 선구적인 연구작업을 활용할 수 있습니다.
  • 초전도 큐비트로 수년간 직접 작업한 경험을 바탕으로한 당사의 양자 컴퓨팅 전문가가 제공하는 강력한 기술 지원 혜택을 받을 수 있습니다.
  • QCCS는 고품질 출판기록을 보유한 입증된 솔루션입니다 (아래 참조).
  • 모든 실험 단계는 QCCS에서 고려됩니다 : 불러오기, 특성화, 교정 및 계산.
  • 포괄적인 소프트웨어 패키지로 시간 절약 : 강력한 사용자 인터페이스, 가상화된 프로그래밍 진행, 지속적인 소프트웨어 지원 및 업데이트 (LabOne 및 API 용)
  • Qiskit과 같은 하이레벨 양자 스택 소프트웨어를 통합하기 위해, 로드맵에 QCCS를 추가하십시오.

상세 내용 문의

동영상

100 큐비트 이상을 위한 큐비트 제어

Zurich Instruments - Qubit control for 100 qubits and more

AWG 실시간 사전보상

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

Collodo, M.C. et al.

Implementation of Conditional-Phase Gates based on tunable ZZ-Interactions

arXiv

Bengtsson, A. et al.

Quantum approximate optimization of the exact-cover problem on a superconducting quantum processor

arXiv

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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