苏黎世仪器推出新一代量子测控一体机

来源：苏黎世仪器

最近，苏黎世仪器推出了新一代8.5 GHz量子测控一体机SHFQC。拥有6个控制通道，1个读取通道，可测控qubit、qutrit和ququad。工作频率最高8.5 GHz，瞬时带宽1 GHz，无需混频器校准。低相噪、低杂散、大输出功率范围，可满足快速和高保真的门操作。实时信号处理链路，具有匹配滤波器和多态鉴别功能。仪器内即可完成反馈测控，延时300 ns。配套控制软件LabOne^®、LabOne QCCS和Python APIs。

苏黎世仪器8.5 GHz量子测控一体机SHFQC

SHFQC量子测控一体机可以同时控制、读取和快速反馈6个超导量子比特。它集成了SHFQA量子分析仪、SHFSG信号发生器以及其他功能。SHFQC有6个信号发生器通道(用于控制)和一个量子分析仪通道(用于读取)，可以全面测控6个量子比特。因为SHFQC集成了微波信号产生模块和触发分配单元，超快反馈延时低于300 ns，仅需要8根微波线就可以将它与制冷机连接，来搭建一套系统。因此，实验系统可以完全用软件控制，并可自由重新配置来匹配实验的需求。

SHFQC的每一个通道都有一个单独的定序器，可以编程控制波形的相位和时序。由于其输出频率覆盖直流到8.5 GHz，单个通道即可控制或耦合量子比特，并且可以快速响应来自读取端的输入信号或其他控制通道的信号。读取通道提供客户可自定义的积分权重和读取脉冲存储单元，数量多达8个。SHFQC-16W升级选件可使数量翻倍，达到16个。这为读取配置提供了更大的自由度，比如可以实时控制和读取6个qutrit。

SHFQC多种高级功能于一身，比如实时示波器、快速扫频、脉冲级定序等，帮助用户实现更快地搭建系统，更高效地调谐和测量。

SHFQC是苏黎世仪器的Quantum Computing Control System (QCCS)量子计算测控系统的一部分。因此，可以使用LabOne QCCS软件来操控，非常直观和便捷。这也意味着，可以将SHFQC与其他设备联用，比如可以用HDAWG任意波形发生器来产生最优的基带控制信号。也可以将SHFQC集成到更大的系统，实现对100个以上的量子比特进行局部或全域的反馈以及量子纠错协议。

量子计算应用

● 控制量子比特，支持单量子比特门和多量子比特门

● 频分复用读取

● 单发色散读取

● 快速量子比特和谐振腔谱测量和系统表征

● 实时、低延时反馈，支持全域内快速操作和量子纠错协议

支持的量子比特类型

● 超导量子比特

● 自旋/超导谐振腔混合量子比特

● qubits、qutrits和ququads

其他应用

● 放大器噪声表征

● 微波系统校准

1.高保真量子比特操控和读取

工作频率高达8.5 GHz，SHFQC采用双超外差上下变频技术，而非IQ混频方案，以滤波而非介入的形式实现频谱纯净，因此它的工作频段更宽，线性度更高。微波频率合成器专为高保真量子比特控制和读取而设计，低相噪和低抖动覆盖所有的输出频率范围。从而，SHFQC可以输出无杂散和稳定的信号，瞬时带宽高达1 GHz，无需混频器校准，节约系统维护时间。

当用一根读取线同时读取多个量子比特时，如果杂散信号的频率正好与量子比特读取频率接近，即使是微弱的杂散信号都可能干扰到量子比特的读取信号。SHFQC的超外差技术为，用于量子比特频分复用读取的，谐振腔的频率设计争取了更大的灵活性。另外，线性放大链路可以驱动单个或多个量子比特门，时间间隙小，无失真。SHFQC集成的变频技术可以确保量子比特测控以最高的保真度进行，实现量子处理器最高性能。

2.高效的工作流程和资源管理

SHFQC的控制和读取通道支持用最少量的波形产生最复杂的信号序列。用户可以用描述波形参数的形式来定义需要的信号，以最节省波形存储空间的方式对SHFQC的信号发生器进行编程。对于具有多个量子比特的系统，需要多台SHFQC时，这样的方式可以确保复杂的调谐和校准步骤仅需最低的仪器通信时间即可完成。比如，支持循环和动态跳转可以在300 ns内实现量子比特主动重置，也可以实现更加复杂的量子纠错算法。实时的相位和频率调控能力使Z门操控成为可能。每个通道具有100k波形点的存储空间，定序器支持16k个指令，采样率2 GSa/s。SHFQC支持可自定义的多通道AWG信号，实现量子比特的精准测控。

3.快速高保真读取

SHFQC可以用脉冲信号来表征待测器件的幅度和相位传输特性。可用两个方法来最大化信噪比：脉冲整形和匹配滤波。脉冲整形基于任意读取信号发生器，可以最小化上升沿和下降沿的振荡，即使器件本身响应很慢。

待测器件的阶跃响应可以通过SHFQC的数字滤波器的阶跃响应来匹配，每个滤波器可编程一个4 kSa长(2 us长)的积分权重函数。与简单的未加权积分相比，使用匹配适当的滤波器可显着提高SNR。此外对于每个qubit，实时分析链路可以鉴别多达4个状态。

苏黎世仪器SHFQA量子分析仪分析流程

4.可扩展的系统方案

SHFQC的设计可以操控6个频率固定的qubits/qutrits或5个ququads。如果要更好地支持其他类型的量子比特或集成到大型的量子系统，SHFQC也可以很方便地与其他仪器互联。比如，32位宽的DIO VHDCI接口延时很低，支持多量子比特态并行前馈到几台HDAWG，实现快速量子比特重置或实时的flux-pulse控制。

对于量子比特数量稍多的系统，几台SHFQC、SHFSG、SHFQA和HDAWG可以组合起来，构成可扩展的Quantum Computing Control System (QCCS)量子测控系统。这种情况下，要用到苏黎世仪器研发的ZSync接口和PQSC可编程量子系统控制器把SHFQC与其他设备进行互联。LabOne QCCS控制软件优化了仪器间的通信，简化了协议执行。

PQSC最多可以同步18台仪器。这意味着调度所有SHFSG和SHFQA可以测控多达128个量子比特。如果仅用SHFQC的话，还可进行超快反馈算法，最多测控108个量子比特。同步系统中所有设备的PQSC可以通过LabOne QCCS软件或者Python APIs来编程控制。这样用户就可以按照需要来决定如何将它们集成到新的或已有的系统中。

带有SHFQC的苏黎士仪器QCCS机架

5.量子系统控制软件

作为量子计算测控系统的一部分时，SHFQC可以通过LabOne QCCS软件完美地集成到已有的或新的系统中。作为一个自成一体的设备时，SHFQC可以通过LabOne或Python APIs高效控制。苏黎世仪器提供广泛的示例库，帮助用户快捷地集成到已有的测量软件架构中。LabOne的数据服务器支持强大的数据结构和处理能力，用户写的软件部分可以更简洁，易于维护。

苏黎世仪器SHFQC量子比特控制器功能图

了解具体参数，可以访问产品主页：

https://www.zhinst.cn/china/cn/products/shfqc-qubit-controller#specifications

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