清华校友实现基于FPGA的量子计算测控系统

光子盒研究院出品

去年，光子盒报道了Gang Huang和Yilun Xu领导美国劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)高级量子试验台(AQT)的一个研究团队证明了在室温下用于量子比特控制的低成本、高性能射频(RF)模块的可行性。实验证明，使用模块化设计方法，降低了传统射频控制系统的成本和尺寸，同时仍能提供优于或相当于商用系统的性能水平。

现在，Gang Huang和Yilun Xu团队已经将上述成果与基于FPGA(现场可编程门阵列)的控制器集成，实现了用于超导量子信息处理器的开源控制和测量系统QubiC(Qubit Control)。该系统在室温下调制信号，以操纵和测量冷却到极低温的超导量子比特，要知道AQT的低温稀释制冷机Blizzard接近绝对零度。

根据发表在IEEE Transactions on Quantum Engineering的论文[1]，他们通过在AQT超导量子处理器上执行量子比特芯片表征、门优化和随机基准序列展示了系统功能和性能。通过随机基准测试，单量子比特和双量子比特过程保真度分别测量为0.9980±0.0001和0.948±0.004。QubiC具有快速的电路序列加载能力，可以高效地执行随机编译实验，并提高执行更复杂算法的可行性。

据了解，Gang Huang和Yilun Xu均为清华大学校友，分别于2002年和2018年获得清华大学博士学位，而且本硕博都在清华大学。

Gang Huang(左)和Yilun Xu(右)领导了QubiC设计。

量子信息处理器需要昂贵的电子控制设备，才能精确操纵量子比特。然而，开发最大化量子计算机性能的控制硬件既是理论上的也是实验上的挑战。此外，当前的相干时间很短，并且大多数商用电子设备都是为非量子系统设计的通用设备。随着量子比特数量的增加，控制和测量硬件的成本、尺寸和复杂性都在增加。这给全球的初创公司和初级学术研究团队带来了巨大的障碍。

AQT研究人员正在通过为当前和未来的超导量子处理器设计模块化控制硬件，并开源该系统的完整堆栈代码来应对这些控制挑战，以便更广泛的量子信息科学界能够访问、改进和利用该系统。

Huang表示：“新的控制电子系统不是为量子控制系统量身定做的。因此，随着处理器变得越来越复杂，量子研究人员需要通过购买更多仪器来使控制系统变得更大。但是控制硬件的成本不应该是线性的或指数的，这就是我们试图介入的地方。通过从头开始将它构建成一个更容易获得、更经济实惠的系统，我们真正了解了进一步集成的基础，并尝试扩展设计。”

QubiC量子计算测控系统。

QubiC集成了一个FPGA射频(RF)系统，该系统在室温下调制信号，以操纵和测量冷却到低温的超导量子比特。QubiC基于Python的软件和固件实现了控制和测量协议，以表征和基准测试量子芯片，优化单量子比特和双量子比特门算法，并减少错误。实验结果表明，QubiC执行量子算法具有良好的同步性和速度，以更低的成本提供类似于商用系统的结果。

如下图所示，QubiC原型系统集成了室温电子硬件、FPGA门件和工程软件，以实现所需的RF脉冲来控制和测量量子比特。该原型系统还提供了一个平台，用于探索和优化实时反馈控制，如快速重置和纠错算法。

QubiC的组成。MO：主振荡器，CLK：时钟，LO：本地振荡器，FPGA：现场可编程门阵列，DAC：数模转换器，ADC：模数转换器，UP：上变频器，DN：下变频器，QPU：量子处理器单元。黄线表示测量路径，绿线表示量子比特控制路径。

室温电子硬件包括三个基本构建模块：FPGA/模数转换器(ADC)/数模转换器(DAC)模块，用于产生/检测中频(IF)信号；RF混频模块，用于将信号频率转换为目标频率；以及本地振荡器(LO)生成模块，用于提供低噪声LO信号。

在FPGA上编程的门件是是实现数字调谐序列和算法协议的最底层。模块化是设计可重用和可维护的FPGA门件代码的关键。QubiC的FPGA门件采用Verilog编程语言编写，分为三个模块：实现底层硬件配置和初始化的板级支持包(BSP)；实现基本量子比特控制和测量功能的数字信号处理器(DSP)；以及处理输入和输出的主机接口(HOI)。

工程软件在主机上运行，实现FPGA缓冲器/寄存器的输入/输出，并为更高层的软件或算法提供软件接口。QubiC工程软件由应用编程接口(API)、量子特性验证和确认(QCVV)实验脚本组合和图形用户界面(GUI)组成。

为了在量子硬件上验证QubiC系统的性能，他们在一个8量子比特量子处理器中的两个量子比特上执行了简化的随机基准测试(RB)。

如下图所示，单量子比特和双量子比特过程保真度分别测量为0.9980±0.0001和0.948±0.004。RB的结果表明，QubiC系统可以有效地控制和测量量子比特，它应该能够在最先进的处理器上提供高保真度的门。

简化的RB结果。每个点对应一个随机量子电路的测量结果。曲线用指数衰减函数Apm拟合。序列长度用Clifford门表示。(a)单量子比特RB。(b)双量子比特RB。

Huang说：“我们正在努力提供一种模块化程度更高、价格更合理的硬件控制解决方案，其性能相当于或略优于其他产品。但我们不能自己做所有事情，因此通过开源代码，我们可以找到一个愿意支持、贡献和发展的社区。”

QubiC与商业和定制设计的电子设备兼容。因此，来自各种国家实验室、初创公司和企业的用户对使用QubiC的可定制界面部署他们的项目表现出了浓厚的兴趣。

通过向AQT用户提供对QubiC及其基础设施的全栈访问，更广泛的社区可以访问最先进的超导量子处理器，并共同参与其发展，从而有可能使QubiC与其他量子计算技术兼容。

以下网址可查看该团队实验室中的所有设备：

https://my.matterport.com/show/?m=ovJ3Hyw8QBU

参考链接：

[1]https://ieeexplore.ieee.org/document/9552516

[2]https://phys.org/news/2022-02-sourced-hardware-quantum.html

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