产品揭秘丨高性价比超导量子测控系统织女星：更快、更准、更便捷
本系列前两篇文章分别介绍了量旋科技第一代标准化、量产型的超导量子芯片“少微”，和量子芯片设计工具EDA“天乙”。在一台完整的超导量子计算机中，量子芯片负责执行计算任务，接下来则由测控系统负责对量子比特进行精确操控，才能完成量子逻辑门的操作和量子算法运算。
如果将量子芯片视为计算机的“心脏”，测控系统便是保障“心脏”正常运转的必要工具。
具体来讲，测控系统通过精确地生成和发送微波脉冲，来对量子芯片上的量子比特进行操作，以此执行量子逻辑门的操作和量子算法运算，并确保计算的正确性，从而发挥出量子计算指数级加速的性能。
因此，一款高精度、高可靠性的测控系统就显得尤为重要。
研发难度大、生产成本高
打造高性价比超导测控系统
然而，设计并实现一款高性能的超导量子测控系统并非易事。超导量子测控中的高比特数和高频信号等特性，同时也导致其在研发和生产的过程中面临诸多挑战：
电磁波信号频率高，研发难度大。相比普通核磁量子测控系统数十MHz的电磁波信号，超导量子测控系统主要发射和采集的电磁波信号为4 GHz至8 GHz的超高频信号。在射频系统中，频率越高，研发和生产的难度越大。
标定速度快，系统稳定性要求高。随着超导量子的比特数量增多，用户需要使用超导测控系统对每个比特的参数性能进行快速标定。如果测控系统稳定性不够高，影响标定速度，将可能出现后面的比特还没有完成标定，前面已经标定好的比特又出现了偏差，需要重新校准的情形。
生产成本高昂。高频的电子学器件价格不菲，控制一个超导量子比特的成本就高达数十万元，当比特数目增加的时候，测控系统的价格随之呈线性增长。在比特数目向几百比特发展的今天，如何控制测控系统的成本，也成为一项越来越重要的挑战。
兼顾性能与成本的考量，以“更快、更准、更便捷”为核心目标，量旋科技的科学家与工程师们历经3年研发迭代与升级，自主研发出一套极具性价比的超导量子测控系统。
FPGA硬件加速
测控更快更准，性能提升显著
2023年4月，量旋科技正式对外发布了超导量子测控系统——织女星Vega。
在超导量子计算中，测控人员可以利用织女星系列产品发射和采集典型值为4 GHz至8 GHz的射频脉冲，操控和读取量子比特状态，进而实现对超导量子比特参数的标定、量子逻辑门的操作和量子算法的运算。
超导量子测控系统“织女星Vega”正式发布
织女星测控系统的高性价比前提是良好的测控性能，主要体现在测控效率与测控精度上。
前面提到，超导测控系统面临的挑战之一是用户需要对量子比特进行快速标定。因此，测控速度必须要足够快，效率要足够高。
为了提升比特测控效率，量旋科技努力缩短了硬件的固有延时，提高了测控系统标定效率的上限。
织女星测控系统采用了基于FPGA的硬件加速，利用几十个FPGA芯片的强大算力进行分布式边缘计算。FPGA是一种性能更高的微处理器，与传统的微处理器（例如CPU）不同，FPGA可以实现真正的并行计算。在FPGA中，所有的逻辑门都可以同时工作，而不是像微处理器那样按顺序执行指令。
量旋科技的工程师们利用分布式边缘计算的思想，将原本由上位机CPU进行的数据分析处理过程转移到测控主板上的FPGA内部进行，极大地减小了数据在板卡和上位机电脑之间传输的耗时，显著地提高了测控系统对量子比特测控的效率。
有了高效的测控系统，标定比特的参数更快，比特偏移之后也能更快重新标定校准。这意味着，测控效率的提升在一定程度上也为测量精度带来了保障。
提高测控系统的精准度，不仅要及时纠正偏差，更为关键的一环是对脉冲精度的把控。织女星采用了型号为AWG-1208的任意波形发生器，具备优于1纳秒的同步精度和16位的垂直分辨率，它生成的脉冲波能够对量子比特进行精确的控制。
标准化、自动化系统设计
操作便捷，易维护易扩展
随着量子比特数目的增长，使用者在追求系统性能的同时，对操作的便捷性和硬件体积也提出了更高的要求。例如，希望能够在原有系统的基础上方便地扩展，并且测控系统的机身不能过于庞大。
织女星从整体架构和内部功能等不同层面着手，兼顾到了使用者的方便和对更多比特数目进行测控的需求。
从硬件结构上来看，织女星采用了标准化、模块化的紧凑机身，将产品封装成1U和3U的模块化单元，在高度一米八左右的机柜内部紧密排列。紧凑的布局使其在方便连线和移动的同时，能够满足20比特测控的所有需求。
模块化抽屉式单元，集成在标准化机柜中，方便维护与扩展
除硬件集成外，织女星在系统功能上也提升了易用性。例如：开放底层API接口，用于满足测控人员不同的调试需求；内置网分频谱功能，方便用户调试和标定量子比特参数；并支持FPGA程序远程升级。这些功能都有助于操作人员更便捷地对量子比特进行测控。
开放编程接口，API调用更便捷
另一大亮点是系统配备的自动化标定软件，一些原本需要人工识别的数据能够在软件内自动处理。软件内置了各种判定条件及判定方法，用于判断数据在不同情况下如何进行下一步操作，可以在无人值守的情况下对多个比特进行连续标定。
测量与标定过程自动化，系统维护更简单
这样的高集成度不仅仅带来更加便捷的操作体验，同样有效减少了系统的复杂性，提高了系统的稳定与可靠程度。
值得一提的是，在系统便捷、高集成、可扩展等方面所做出的努力，也意味着用户潜在使用成本的降低。
从这一角度来看，模块单元能够便捷地在标准机柜中进行扩展，方便系统的维护和拆装，减少了潜在的后续维护成本；自动化标定程序则有效节省了人力和时间方面的成本。
这也正是为什么织女星称得上是一款高性价比测控系统。在测控效率和测控精度等各方面指标均衡的前提下，量旋科技从使用体验出发，将系统的效用更大化。
接下来，织女星系统计划进一步朝着提高集成度、降低系统硬件冗余的方向努力，将当前的信号发射、混频、微波源等模块进一步集成化处理，减小体积，优化信噪比。更好地服务于超导量子芯片测试人员、整机集成调试人员以及量子算法应用的终端用户。
全链条自主研发
提供多样化的产业级量子计算解决方案
基于量旋科技超导量子芯片、测控系统和整机集成的基础，织女星测控系统对于超导量子计算机的适配性存在绝对优势。配合标准化的超导量子芯片少微，织女星测控系统已完全融入量旋科技20比特超导量子计算机整机生态体系。
从设计、研发与生产，到产品交付，目前量旋科技已成功实现超导测控系统中所有模块的自主研发生产，并能够提供一整套完善的解决方案。
这意味着，除一站式提供超导量子计算机一体化整机外，量旋科技也可以分别提供更高性价比的模块单元和芯片标定调试、整机集成调试等多样化服务。
相信未来随着技术的进一步升级迭代，包括系统性能和集成度的提升，测控系统将配合超导量子芯片，保障量子计算体系更高效运转，从基础上确保与推进量子计算在人工智能、金融科技、新能源材料等领域的实际应用。
量旋“织女星”
超导量子测控系统已开启预定
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