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量子反饋控制

簡(jiǎn)介：

在量子反饋控制中，需要用量子態(tài)單次測(cè)量的結(jié)果作為決策輸入，并在相干時(shí)間內(nèi)對(duì)量子比特立即進(jìn)行反饋操作。相干時(shí)間通常很短，因此一個(gè)盡可能短的反饋延遲對(duì)于保持整個(gè)實(shí)驗(yàn)的保真度至關(guān)重要。為了確保實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性，在涉及到多臺(tái)儀器時(shí)，整個(gè)反饋回路也必須以確定的時(shí)序來執(zhí)行。

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應(yīng)用簡(jiǎn)述測(cè)量方案一測(cè)量方案二產(chǎn)品優(yōu)勢(shì) 相關(guān)產(chǎn)品

應(yīng)用簡(jiǎn)述

量子反饋控制的主要應(yīng)用包括：快速量子態(tài)初始化，量子態(tài)穩(wěn)定和量子糾錯(cuò)。實(shí)際應(yīng)用的差別體現(xiàn)在測(cè)量和反饋控制之間所需信號(hào)處理的復(fù)雜度。這可以是通過一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字比特傳遞信息，也可以是通過苛刻的錯(cuò)誤伴隨式解碼。蘇黎世儀器（Zurich Instruments）的產(chǎn)品涵蓋了超導(dǎo)和自旋量子比特實(shí)驗(yàn)所需的全部配置，用戶可以確保在反饋速度和復(fù)雜處理之間取得最佳平衡。

測(cè)量方案一

測(cè)量方案一

圖 1：使用 QCCS 第一代產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)基于事件的，點(diǎn)到點(diǎn)的及使用PQSC進(jìn)行反饋操作的框圖。

圖 2：使用 QCCS 第二代產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)基于事件的，點(diǎn)到點(diǎn)的及使用 PQSC 進(jìn)行反饋操作的框圖。

測(cè)量方案二

測(cè)量方案二

基于事件：低至 50 ns 延遲

最低延遲的配置，如圖 1a，當(dāng) 一個(gè) TTL 的上升沿到達(dá) HDAWG 任意波形發(fā)生器的觸發(fā)輸入時(shí) ，HDAWG 可在 50 ns 后在一對(duì)輸出通道上輸出模擬信號(hào)（首個(gè)采樣點(diǎn)）。可使用此配置進(jìn)行主動(dòng)量子比特重置，即用 1 個(gè)量子比特的讀取結(jié)果反饋控制自身的量子態(tài)或其它特定的量子比特。 TTL 信號(hào)也可由量子態(tài)讀取的第三方設(shè)備提供。SHFSG 信號(hào)發(fā)生器也支持這一功能，如圖 2b，其延遲為 200 ns。

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)：低至 350 ns 延遲

在此配置中，如圖 1b，一個(gè)量子比特的讀取結(jié)果通過點(diǎn)到點(diǎn)的連接反饋到同一量子比特的控制端。這一方案適合于主動(dòng)量子比特重置反饋。對(duì)于第一代 QCCS，可以通過使用 VHDCI 電纜（DIO 鏈接）將 UHFQA 量子分析儀連接到 HDAWG 來實(shí)現(xiàn)。DIO 鏈接最多可傳輸 10 個(gè)數(shù)字化的量子比特讀取結(jié)果；這 10 個(gè)比特的信息可用于控制 HDAWG 的 8 個(gè)輸出通道。從 UHFQA 的信號(hào)輸入端采集讀取脈沖的最后一個(gè)采樣點(diǎn)開始，到 HDAWG 的波形輸出端生成控制脈沖的第一個(gè)采樣點(diǎn)為止，總的延遲時(shí)間為 380 ns。對(duì)于第二代 QCCS，點(diǎn)到點(diǎn)反饋可以直接由一臺(tái)儀器實(shí)現(xiàn)：SHFQC 量子測(cè)控儀，包含量子比特控制和讀取功能，其反饋延遲低至 350 ns。

PQSC：低至 550 ns 延遲

PQSC 可編程量子系統(tǒng)控制器作為中心控制器可用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中任意兩個(gè)比特間的反饋操作，以及低延遲實(shí)時(shí)處理多量子比特?cái)?shù)據(jù)。它比點(diǎn)到點(diǎn)的反饋方案更為普適，是實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展量子計(jì)算和量子糾錯(cuò)的先決條件。對(duì)于第一代 QCCS，如圖 1c 所示，多臺(tái) HDAWG 通過 ZSync 電纜連接到同一臺(tái) PQSC ，多臺(tái) UHFQA 通過 VHDCI 電纜（DIO 鏈接）連接到多臺(tái) HDAWG。每個(gè) DIO 鏈接 / ZSync 最多可將 10 個(gè)量子比特的讀取結(jié)果從 UHFQA 傳輸?shù)?PQSC。ZSync 連接可將數(shù)字化的量子態(tài)信息從 PQSC 傳輸?shù)?HDAWG，進(jìn)而用于決策輸出特定波形。任何 UHFQA 的最后一個(gè)輸入采樣點(diǎn)與任何 HDAWG 的第一個(gè)輸出采樣點(diǎn)之間的延遲低于 700 ns。對(duì)于第二代 QCCS，如圖 2c，所有儀器均可通過 ZSync 連接到 PQSC, 延遲也低至 550 ns。

SHFQC 本機(jī)或全局反饋

在較大的系統(tǒng)中，結(jié)合點(diǎn)到點(diǎn)反饋和 PQSC 反饋的方案具有更突出的優(yōu)勢(shì)。它可以使用戶實(shí)現(xiàn)極低延遲的本機(jī)反饋，如輔助量子比特重置，和全局反饋，如伴隨式譯碼和糾錯(cuò)。圖 3 描述了如何用第二代 QCCS 來實(shí)現(xiàn)這一方案。每臺(tái) SHFQC 都可以用于控制一組連接到同一讀取鏈路的輔助量子比特。此外，SHFQC 在實(shí)驗(yàn)中還可以為不需要重置操作的數(shù)據(jù)量子比特提供控制信號(hào)，而 HDAWG 可以提供用于調(diào)節(jié)量子比特或耦合器頻率的磁通脈沖。

圖 3：使用 QCCS 實(shí)現(xiàn)本機(jī)和全局反饋操作的框圖。

產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)

選擇蘇黎世儀器的優(yōu)勢(shì)

━ 低延遲，可擴(kuò)展性，強(qiáng)大的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理功能：同時(shí)滿足量子反饋控制的所有關(guān)鍵需求。

━ 極大的靈活性，用戶可以在上述方案中按實(shí)驗(yàn)需求選擇最佳的配置。

━ 無需學(xué)習(xí)大量的 FPGA 編程知識(shí)，即可體驗(yàn)最新的實(shí)驗(yàn)方法

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