초전도 큐비트 양자 컴퓨팅

초전도 큐비트는 확장 가능성과 내고장성을 가진 양자 컴퓨터를 실현하기 위한 가장 유망한 기술 중 하나입니다. 지난 20년 동안 전 세계의 대학 연구소, 정부 기관, 그리고 점점 늘어나는 수의 민간 기업에서 중대한 진전이 보고되면서 엄청난 발전이 이루어졌습니다. 이 분야의 연구 개발이 더욱 가속화됨에 따라, 연구자들은 각각 칩 제조 및 특성화, 양자 시스템 작동, 큐비트 제어 또는 알고리즘 설계와 같은 핵심 역량에 집중해야 합니다.

취리히 인스트루먼트는 100개 큐비트 이상으로 확장할 수 있는 세계 최초의 상용 양자 컴퓨팅 제어 시스템(QCCS) 을 제공하기 위해 전념하고 있습니다. QCCS는 물리적 큐비트(예: 초전도 회로) 플랫폼에 구애받지 않는 양자 스택의 상위 레벨에 양자 회로를 구현하는 데 필요한 클래식 하드웨어 및 소프트웨어가 포함되어 있습니다.

고객의 어떤 과제들을 해결할 수 있도록 지원하나요?

• 큐비트 제어: 저잡음, 고대역폭, 안정적인 펄스 생성 및 강력하고 메모리 효율적인 시퀀서 덕분에 모든 일반적인 게이트들의 최대 충실도를 달성할 수 있습니다.
• 큐비트 판독: 각 기기에서 최대 64개의 큐비트를 낮은 지연 시간으로 여러 큐비트 상태에 대해 빠르고 높은 충실도로 판독할 수 있습니다.
• 양자 피드백: 단일 큐비트의 액티브 리셋부터 오류 수정 코드를 위한 시스템 전반의 신드롬 디코딩까지 큐비트 제어와 판독을 짧은 지연 시간의 피드백으로 결합합니다.
• 확장 가능한 양자 시스템 제어: 글로벌 타이밍 동기화, 기기 간 저지연 통신, 그리고 선도적인 상위 레벨의 양자 회로 프로그래밍과 호환되는 강력한 소프트웨어 인터페이스덕분에 제어 시스템을 단일 장비처럼 사용할 수 있습니다.

QCCS는 초전도 양자 프로세서를 제어하기 위한 최첨단 기술을 대표합니다. 이 시스템은 HDAWG, SHFSG, SHFQA 및 PQSC로 구성된 완전 프로그래밍 가능한 시스템을 사용자에게 제공하며, LabOne® 사용자 인터페이스, LabOne Q 소프트웨어, QCoDes 및 Labber와 같은 가장 일반적인 프레임워크용 API 및 드라이버를 특징으로 합니다. 큐비트 특성화 및 초기화, 게이트 실행, 다중 큐비트 판독, 피드백 작업 등 중요한 기능이 포함되어 있습니다.

큐비트 특성화 및 캘리브레이션

• 작업: 각 큐비트와 해당 판독 공진기의 주파수를 찾고, 큐비트 성능을 특성화하며, 싱글샷 판독 충실도를 최적화합니다.
• 특징: SHFQA 양자 분석기에는 속도 제한에서의 공진기 분광법과 다중 상태 판별을 통한 멀티플렉스 큐비트 판독을 위한 전용 모드가 있습니다. SHFQA와 동일한 더블 슈퍼헤테로다인 주파수 변환을 사용하는 SHFSG 신호 발생기와 강력한 시퀀서는 초고속 단일 큐비트 게이트에서도 선형 펄스를 생성할 수 있습니다.
• 장점: 하드웨어 평균화 및 실행 기능 덕분에 많은 큐비트을 빠르고 자동화된 캘리브레이션으로 특성화 할 수 있습니다. 통합된 선형 및 광대역 주파수 변환으로 각 제어 및 판독 라인에 단 하나의 마이크로파 케이블만 필요하므로 장비 설치 시간이 최소화됩니다.

대규모 초전도 회로의 특성화 및 보정은 매우 시간이 많이 소요될 수 있으며, 더욱 중요한 것은 고충실도 알고리즘 실행을 위해 판독 후 빠른 다중 큐비트 상태 출력이 필요합니다. 분광학 및 다중화 판독을 위한 전용 측정 모드를 갖춘 SHFQA는 과정을 간소화하고 디지털 큐비트 상태를 직접 출력합니다. 극도로 선형적인 주파수 변환 기능을 갖춘 SHFSG는 파이 펄스 출력 진폭의 간단한 스케일링을 통해 고충실도 단일 큐비트 게이트 작동을 가능하게 합니다.

양자 컴퓨팅을 위한 고충실도 게이트 운영

• 작업: 큐비트 게이트 충실도를 최적화하고, 오류 수정 여부와 관계없이 복잡한 양자 알고리즘을 실행하며 그 성능과 한계를 특성화합니다.
• 특징: SHFSG 신호 발생기는 DC~8.5 GHz의 전체 주파수 범위를 지원하므로 다양한 단일 및 다중 큐비트 게이트를 생성할 수 있습니다. SHFSG는 주파수 변환시 더블 슈퍼헤테로다인 기술을 사용하여 믹서 보정이 필요 없는 동시에 고충실도 게이트를 위한 저잡음 및 스퓨리어스 없는 신호를 보장합니다. HDAWG 임의 파형 발생기는 18dBm의 높은 출력과 낮은 위상 노이즈를 제공하며, HDAWG-PC 실시간 사전 보정 옵션과 결합하면 고음질 두 큐비트 게이트용 플럭스 펄스에 이상적입니다.
• 장점: QCCS는 대규모 양자 컴퓨팅에 적합한 고성능 제품입니다.

복잡한 양자 알고리즘의 실현은 고충실도 범용 단일 큐비트 및 두 큐비트 게이트에 의존합니다. 초전도 시스템에서 두 큐비트 게이트의 충실도는 파라메트릭 두 큐비트 게이트의 경우 플럭스 펄스 노이즈 또는 위상 노이즈에 의해 제한될 수 있습니다. HDAWG의 뛰어난 노이즈 성능은 99.9%의 플럭스 펄스 게이트 충실도를 구현하며, HDAWG-PC 실시간 사전 보상 옵션 덕분에 더 높은 큐비트 상태로의 누출을 최소화할 수 있습니다. SHFSG의 출력 주파수 범위는 DC~8.5 GHz로, 믹서 캘리브레이션에 시간을 들일 필요 없이 단일 큐비트 게이트는 물론 교차 공진 및 파라메트릭 두 큐비트 게이트도 생성할 수 있습니다.

액티브 리셋 및 증후군 디코딩을 위한 빠른 피드백

• 작업: 개선된 큐비트 초기화 및 오류 수정을 통해 더 나은 알고리즘 성능 달성
• 특징: 소형 시스템의 경우 트리거 연결을 통해, 그리고 최대 100큐비트 이상의 시스템에서는 ZSync와 PQSC를 통해 지연 시간이 짧은 멀티 디바이스 통신이 가능합니다. PQSC는 액티브 리셋을 위한 레지스터 포워딩, 기성품 글로벌 증후군 디코딩, FPGA에 대한 사용자 액세스를 제공하여 자체 오류 수정 코드를 개발할 수 있습니다.
• 장점: 큐비트 초기화를 위한 빠른 액티브 리셋부터 표면 코드의 글로벌 증후군 디코딩까지 모든 제어 및 판독 계측기 (SHFQA, SHFSG 및 HDAWG)의 실시간 큐비트 판별과 실시간 의사 결정 및 브랜칭이 PQSC를 통해 동기화되고 인터페이스되므로 가장 진보된 피드백 코드를 구현할 수 있습니다.

PQSC를 통한 ZSync를 통한 다중 장치 통신과 Qiskit과 같은 고급 양자 프로그래밍 언어와의 호환성 덕분에 QCCS는 확장 가능한 시스템으로 실용적인 양자 컴퓨팅을 목표로 하는 대형 초전도 회로에 이상적인 선택이 될 수 있습니다.

LabOne Q 제어 소프트웨어 프레임워크는 초전도 큐비트에 대한 수많은 측정 방법에 대한 예제와 함께 제공됩니다. 애플리케이션 라이브러리에서 아래 방법을 구현하는 방법과 더 많은 방법을 확인하세요.

• 고속 분광학
• 단일 및 두 큐비트 게이트 튠업
• 무작위 벤치마킹
• 액티브 큐비트 리셋

LabOne Q 애플리케이션 라이브러리는 큐비트 실험을 신속하게 시작하고, 관심 있는 물리학 및 결과에 집중할 수 있도록 돕습니다. 이 프레임워크를 통해 측정을 펄스 레벨이 아닌, 큐비트 개체 및 게이트로 구현할 수 있는 도구를 제공합니다. 애플리케이션 라이브러리 (Applications Library)는 실험 정의, 측정, 분석 및 그래프 작성, 물리 매개변수 업데이트와 같은 모든 튜닝 워크플로우 단계를 다룹니다.