產(chǎn)品介紹
SHFQC 量子測控一體機(jī)可以同時(shí)進(jìn)行控制，讀取和快速反饋，多達(dá) 6 個(gè)超導(dǎo)量子比特。它集成了 SHFQA 量子分析儀 和 SHFSG 信號(hào)發(fā)生器，以及其他功能于一身。SHFQC 有 6 個(gè)信號(hào)發(fā)生器通道（用于控制）和一個(gè)量子分析儀通道（用于讀?。梢匀鏈y控 6 個(gè)量子比特。 因?yàn)?SHFQC 集成了微波信號(hào)產(chǎn)生模塊和觸發(fā)分配單元，超快反饋延時(shí)低于300 ns，僅需要 8 根微波線就可以將它與制冷機(jī)連接，來搭建一套系統(tǒng)。因此，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以用軟件控制，并可自由重新配置來匹配實(shí)驗(yàn)的需求。
SHFQC 的每一個(gè)通道都有一個(gè)單獨(dú)的定序器，可以編程控制波形的相位和時(shí)序。由于其輸出頻率覆蓋直流到 8.5 GHz，單個(gè)通道即可控制或耦合量子比特，并且可以快速響應(yīng)來自讀取端的輸入信號(hào)或其他控制通道的信號(hào)。讀取通道提供客戶可自定義的積分權(quán)重和讀取脈沖存儲(chǔ)單元，數(shù)量多達(dá) 8 個(gè)。 SHFQC-16W 升級選件可使數(shù)量翻倍，達(dá)到 16 個(gè)。這為讀取配置提供了更大的自由度，比如可以實(shí)時(shí)控制和讀取 6 個(gè) qutrit。
SHFQC 多種高級功能于一身，比如實(shí)時(shí)示波器，快速掃頻，脈沖級定序等，幫助用戶實(shí)現(xiàn)更快地搭建系統(tǒng)，更高效地調(diào)諧和測量。
SHFQC 是我們蘇黎世儀器的 Quantum Computing Control System (QCCS) 量子計(jì)算測控系統(tǒng)的一部分。因此，同樣可以使用 LabOne QCCS 軟件 來操控，非常直觀和便捷。這也意味著，可以將SHFQC 與其他設(shè)備聯(lián)用，比如可以用 HDAWG 任意波形發(fā)生器 來產(chǎn)生的基帶控制信號(hào)。也可以將 SHFQC 集成到更大的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對 100 個(gè)以上的量子比特進(jìn)行局部或全域的反饋以及量子糾錯(cuò)協(xié)議。
應(yīng)用領(lǐng)域
量子計(jì)算應(yīng)用
· 控制量子比特，支持單量子比特門和多量子比特門
· 頻分復(fù)用讀取
· 單發(fā)色散讀取
· 快速量子比特和諧振腔譜測量和系統(tǒng)表征
· 實(shí)時(shí)，低延時(shí)反饋，支持全域內(nèi)快速操作和量子糾錯(cuò)協(xié)議
支持的量子比特類型
· 超導(dǎo)量子比特
· 自旋/超導(dǎo)諧振腔混合量子比特
· Qubits，qutrits 和 ququads
其他應(yīng)用
· 放大器噪聲表征
· 微波系統(tǒng)校準(zhǔn)
亮點(diǎn)
高保真量子比特操控和讀取
工作頻率高達(dá) 8.5 GHz，SHFQC 采用雙超外差上下變頻技術(shù)，而非 IQ 混頻方案，以濾波而非介入的形式實(shí)現(xiàn)頻譜純凈，因此它的工作頻段更寬，線性度更高。微波頻率合成器專為高保真量子比特控制和讀取而設(shè)計(jì)，低相噪和低抖動(dòng)覆蓋所有的輸出頻率范圍。從而，SHFQC 可以輸出無雜散和穩(wěn)定的信號(hào)，瞬時(shí)帶寬高達(dá) 1 GHz，無需混頻器校準(zhǔn)，節(jié)約系統(tǒng)維護(hù)時(shí)間。
當(dāng)用一根讀取線同時(shí)讀取多個(gè)量子比特時(shí)，如果雜散信號(hào)的頻率正好與量子比特讀取頻率接近，即使是微弱的雜散信號(hào)都可能干擾到量子比特的讀取信號(hào)。SHFQC 的超外差技術(shù)為，用于量子比特頻分復(fù)用讀取的，諧振腔的頻率設(shè)計(jì)爭取了更大的靈活性。另外，線性放大鏈路可以驅(qū)動(dòng)單個(gè)或多個(gè)量子比特門，時(shí)間間隙小，無失真。SHFQC 集成的變頻技術(shù)可以確保量子比特測控以的保真度進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)量子處理器性能。
高效的工作流程和資源管理
SHFQC 的控制和讀取通道支持用最少量的波形產(chǎn)生最復(fù)雜的信號(hào)序列。用戶可以用描述波形參數(shù)的形式來定義需要的信號(hào)，以波形存儲(chǔ)空間的方式對 SHFQC 的信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行編程。對于具有多個(gè)量子比特的系統(tǒng)，需要多臺(tái) SHFQC 時(shí)，這樣的方式可以確保復(fù)雜的調(diào)諧和校準(zhǔn)步驟僅需的儀器通信時(shí)間即可完成。比如，支持循環(huán)和動(dòng)態(tài)跳轉(zhuǎn)可以在 300 ns 內(nèi)實(shí)現(xiàn)量子比特主動(dòng)重置，也可以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的量子糾錯(cuò)算法。實(shí)時(shí)的相位和頻率調(diào)控能力使 Z 門操控成為可能。 每個(gè)通道具有 100k 波形點(diǎn)的存儲(chǔ)空間，定序器支持 16k 個(gè)指令，采樣率 2 GSa/s。SHFQC 支持可自定義的多通道 AWG 信號(hào)，實(shí)現(xiàn)量子比特的精準(zhǔn)測控。
快速高保真讀取
SHFQC 可以用脈沖信號(hào)來表征待測器件的幅度和相位傳輸特性?？捎脙蓚€(gè)方法來信噪比：脈沖整形和匹配濾波。脈沖整形基于任意讀取信號(hào)發(fā)生器，可以最小化上升沿和下降沿的振蕩，即使器件本身響應(yīng)很慢。
待測器件的階躍響應(yīng)可以通過 SHFQC 的數(shù)字濾波器的階躍響應(yīng)來匹配，每個(gè)濾波器可編程一個(gè) 4 kSa 長（2 us 長）的積分權(quán)重函數(shù)。與簡單的未加權(quán)積分相比，使用匹配適當(dāng)?shù)臑V波器可顯著提高 SNR。此外對于每個(gè) qubit，實(shí)時(shí)分析鏈路可以鑒別多達(dá) 4 個(gè)狀態(tài)。
可擴(kuò)展的系統(tǒng)方案
SHFQC 的設(shè)計(jì)可以操控 6 個(gè)頻率固定的 qubits/qutrits 或 5 個(gè) ququads。如果要更好地支持其他類型的量子比特或集成到大型的量子系統(tǒng)，SHFQC 也可以很方便地與其他儀器互聯(lián)。比如，32位寬的 DIO VHDCI 接口延時(shí)很低，支持多量子比特態(tài)并行前饋到幾臺(tái) HDAWG，實(shí)現(xiàn)快速量子比特重置或?qū)崟r(shí)的 flux-pulse 控制。
對于量子比特?cái)?shù)量稍多的系統(tǒng)，幾臺(tái) SHFQC，SHFSG，SHFQA 和 HDAWG 可以組合起來，構(gòu)成可擴(kuò)展的 Quantum Computing Control System (QCCS) 量子測控系統(tǒng)。這種情況下，要用到我們研發(fā)的 ZSync 接口和 PQSC 可編程量子系統(tǒng)控制器把 SHFQC 與其他設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)。LabOne QCCS 控制軟件優(yōu)化了儀器間的通信，簡化了協(xié)議執(zhí)行。
PQSC 最多可以同步 18 臺(tái)儀器。這意味著調(diào)度所有 SHFSG 和 SHFQA 可以測控多達(dá) 128 個(gè)量子比特。如果僅用 SHFQC 的話，還可進(jìn)行超快反饋算法，最多測控 108 個(gè)量子比特。 同步系統(tǒng)中所有設(shè)備的 PQSC 可以通過 LabOne QCCS 軟件或者 Python APIs 來編程控制。這樣用戶就可以按照需要來決定如何將它們集成到新的或已有的系統(tǒng)中。
功能圖解
指標(biāo)
| 一般指標(biāo) | |
| 控制通道數(shù)量 | 6 個(gè)信號(hào)發(fā)生器通道 |
| 讀取通道數(shù)量 | 1 個(gè)量子分析儀通道 (1個(gè)輸出通道，1個(gè)輸入通道) |
| 尺寸 | 449 x 460 x 145 mm (19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架) 17.6 x 18.1 x 5.7 inch |
| 重量 | 15 kg (33 lb) |
| 電源 | AC: 100-240 V, 50/60 Hz |
| 連接接口 | SMA 前后面板，用于觸發(fā)，信號(hào)和外接時(shí)鐘 32位寬 DIO 2 個(gè) ZSync 接口 LAN/Ethernet, 1 Gbit/s USB 3.0 Maintenance USB |
| 信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)輸出 | |
| RF輸出數(shù)量 | 6 |
| 頻率范圍 | DC - 8.5 GHz |
| 信號(hào)帶寬 | > 1 GHz |
| 輸出范圍 (dBm) | -30 dBm 到 10 dBm |
| 輸出阻抗 | 50 Ohm |
| 微波合成器數(shù)量 | 3 個(gè)(每通道對共享1個(gè)) |
| D/A 轉(zhuǎn)換 | 14-bit, 6 GSa/s (3倍內(nèi)插后) |
| 輸出電壓噪聲密度 | -135 dBm/Hz (1 GHz，10 dBm，偏移 > 200 kHz) -140 dBm/Hz (4 GHz，10 dBm，偏移 > 200 kHz) -144 dBm/Hz (6 GHz，10 dBm，偏移 > 200 kHz) -144 dBm/Hz (8 GHz，10 dBm，偏移 > 200 kHz) |
| 輸出相位噪聲 | -90 dBc/Hz (6 GHz，載波偏移 1 kHz) -98 dBc/Hz (6 GHz，載波偏移 10 kHz) -100 dBc/Hz (6 GHz，載波偏移 100 kHz) |
| 輸出電壓準(zhǔn)度 | ±(設(shè)置值的1 dBm) |
| 無雜散動(dòng)態(tài)范圍 (不含諧波) | 74 dBc (1 GHz， 0 dBm) 66 dBc (4 GHz，0 dBm) 60 dBc (6 GHz，0 dBm) 65 dBc (8 GHz，0 dBm) |
| 輸出最差諧波強(qiáng)度 | -40 dBc (1 GHz, 10 dBm) -40 dBc (4 GHz, 10 dBm) -38 dBc (6 GHz, 10 dBm) -36 dBc (8 GHz, 10 dBm) |
| 波形生成 | |
| AWG 內(nèi)核 | 每通道1個(gè) |
| 波形垂直分辨率 | 14-bit 模擬 + 2-bit 數(shù)字標(biāo)記 |
| 波形存儲(chǔ) | 每通道 98 kSa |
| 定序器指令長度 | 每個(gè) AWG 內(nèi)核 16k 指令 |
| AWG 采樣率 | 2 GSa/s |
| 最小波形長度 | 32 Sa |
| 量子分析儀信號(hào)輸出 | |
| RF 輸出數(shù)量 | 1 |
| 頻率范圍 | 0.5 - 8.5 GHz |
| 信號(hào)帶寬 | > 1 GHz |
| 輸出范圍（dBm） | -30 dBm to 10 dBm |
| 輸出電壓噪聲 | 14.1 nV/sqrt(Hz) (@ 6 GHz) |
| 輸出阻抗 | 50 Ohm |
| 微波合成器數(shù)量 | 1 (與輸入通道共享) |
| D/A 轉(zhuǎn)換 | 14-bit, 6 GSa/s (3倍內(nèi)插后) |
| 輸出電壓噪聲密度 | -135 dBm/Hz (1 GHz，10 dBm，偏移 > 200 kHz) -140 dBm/Hz (4 GHz，10 dBm，偏移 > 200 kHz) -144 dBm/Hz (6 GHz，10 dBm，偏移 > 200 kHz) -144 dBm/Hz (8 GHz，10 dBm，偏移 > 200 kHz) |
| 輸出相位噪聲 | -90 dBc/Hz (6 GHz， 載波偏移 1 kHz) -98 dBc/Hz (6 GHz， 載波偏移 10 kHz) -100 dBc/Hz (6 GHz， 載波偏移 100 kHz) |
| 輸出電壓準(zhǔn)度 | ±(設(shè)置值的 1 dBm) |
| 無雜散動(dòng)態(tài)范圍 (不含諧波) | 74 dBc (1 GHz，0 dBm) 66 dBc (4 GHz，0 dBm) 60 dBc (6 GHz，0 dBm) 65 dBc (8 GHz，0 dBm) |
| 輸出最差諧波強(qiáng)度 | -40 dBc (1 GHz，10 dBm) -40 dBc (4 GHz，10 dBm) -38 dBc (6 GHz，10 dBm) -36 dBc (8 GHz，10 dBm) |
| 讀取脈沖發(fā)生器 | |
| 讀取脈沖發(fā)生器數(shù)量 | 1 |
| 定序能力 | 高級定序，支持循環(huán)和動(dòng)態(tài)跳轉(zhuǎn)，高級觸發(fā)控制，時(shí)間交錯(cuò)讀取 |
| 波形存儲(chǔ)單元1 | 每通道 8 個(gè)單元，一共 32 kSa 存儲(chǔ) 或者 16 個(gè)單元，一共 64 kSa 存儲(chǔ) (需要 SHFQC-16W 選件) |
| 振蕩器 | 1 (spectroscopy 模式下可配置) |
| 量子分析儀信號(hào)輸入 | |
| RF 輸入數(shù)量 | 1 |
| 頻率范圍 | 0.5 - 8.5 GHz |
| 信號(hào)帶寬 | > 1 GHz |
| 輸出阻抗 | 50 Ohm |
| 微波合成器數(shù)量 | 1 (與輸出通道共享) |
| 輸入電壓噪聲 | 1.1 nV/√Hz (@ 3 GHz) |
| 輸入量程 (dBm) | -50 dBm 到10 dBm (校準(zhǔn)后) |
| A/D 轉(zhuǎn)換 | 14-bit，4 GSa/s |
| 量子比特測量單元 | |
| 匹配濾波器 | 每通道 8 個(gè)單元1，一共 32 kSa 存儲(chǔ) 或者 16 個(gè)單元，一共 64 kSa 存儲(chǔ) (需要 SHFQC-16W 選件) |
| 多態(tài)鑒別 | 最多4個(gè)鑒別器 |
| 反饋延遲 | 300 ns (個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)入到個(gè)采樣點(diǎn)輸出) |
| 數(shù)據(jù)記錄器 | 存儲(chǔ): 220 點(diǎn)，平均次數(shù) 217 |
| 示波器 | 存儲(chǔ): 單通道時(shí)， 219 復(fù)值采樣點(diǎn)； 2通道時(shí)， 218 復(fù)值采樣點(diǎn)；3或4通道時(shí)， 217 復(fù)值采樣點(diǎn) |
| 數(shù)字標(biāo)記和觸發(fā) | |
| 數(shù)字標(biāo)記輸出 | 8 個(gè) (每輸出/輸入通道各一個(gè))，SMA 前面板 |
| 數(shù)字標(biāo)記輸出電壓 | 0 V (低)，3.3 V (高) |
| 數(shù)字標(biāo)記輸出阻抗 | 50 Ohm |
| 數(shù)字標(biāo)志輸出上升沿時(shí)間 | 300 ps (20% to 80%) |
| 觸發(fā)輸入 | 8個(gè) (每輸出/輸入通道各一個(gè))，SMA 前面板 |
| 觸發(fā)輸入阻抗 | 50 Ohm / 1 kOhm |
| 1 所有的存儲(chǔ)單元均可自由配置和觸發(fā)。每個(gè)單元對應(yīng)4096個(gè)復(fù)值采樣點(diǎn)。 | |
