信号相干与量子比特（Qubit ）的控制

前言

随着量子计算研究的发展，越来越多的T&M仪器供应商（如 AnaPico）正在进入这一领域。到目前为止，AnaPico是为数不多可以针对量子计算信号生成不同特点和要求提供综合解决方案的公司之一。APMS系列多通道相参信号源可以提供高质量相参本振信号，APUASYN20和APSYN140系列则是经济型的相参本振替代方案。而APVSG则更是在从基本Qubit脉冲控制信号的算法、基带到直接生成至微波信号提供了完整的解决方案，使用该方案用户将不再需要构建AWG+混频器+本振这样高成本且并不可靠的复杂方案，APVSG-x系列多通道相参矢量信号源将是未来主流的量子计算系统信号生成方案！

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量子物理学是当今发展最快的研究领域之一。政府和私人组织正在投入大量资源，以争取科学和商业颠覆性的成就。
信号发生器尤其是多通道相参信号发生器在量子计算阵列中起着至关重要的作用，因为它们在控制Qubit、Qubit测量和分析领域参与了各种类型的实验。

AnaPico所独特的射频微波多通道相干技术为这个快速发展的行业提供领先的控制电子解决方案，帮助您降低量子实验的复杂性、成本和设置时间！

背景

在量子计算中，一个Qubit或量子信息的Qubit是一个单位。Qubit是一种双态量子力学系统，是经典比特的量子模拟。在经典系统中，比特必须处于一种状态或另一种状态。然而，量子力学允许Qubit同时处于两种状态的叠加状态。
单个Qubit的可能状态可以使用Bloch球体进行可视化（见图 1）。在这样的球体上我们可以发现，经典比特只能位于“北极”或“南极”，即分别位于I0>和I1>的位置。经典比特无法访问球体表面的其余部分，但Qubit状态则可以用表面上或内部的任何点表示。

在量子信息领域中，布洛赫球体扮演着统一的角色，因为所有的量子比特都可以用这种方式表示，无论它们如何实际实现。最著名的两级系统是自旋spin^(-1⁄2)粒子，其他系统经常映射在spin^(-1⁄2)上 以获得更好的判断。
Qubit纯态一般可以写成以下形式：

从“概念验证”实验到全功能量子计算机

过去，大多数与量子计算相关的实验都没有以执行实际计算为目标。它们基本上是应用于Qubit的材料和架构研究的“概念验证”实验，但这是控制和捕获其量子状态、实现量子门和验证其操作原理的最佳方法。所选择的Qubit控制装置普遍采用高性能的T＆M（测试和测量）设备来实现这样的研究系统。在量子计算研究系统中，多个AWG（任意波形发生器）通道用于产生量子状态控制和读取信号，并结合一些数字化仪或实时DSO（数字存储示波器）来捕获Qubit的态。受到AWG和数字化仪的采样率限制那些通常由在某种由幅度和相位的近高斯脉冲的一些序列调制微波载波的无法直接生成或捕获这样的信号，阵列波导光栅和数字化仪必须用一些混合器的组合实现更高的频率要求。此时混频器和IQ调制器就需要多个额外并且信号相干的微波（LO）发生器（即CW微波发生器）。还需要额外的模拟和数字控制信号。结果，每个Qubit的成本很高，而系统的可扩展性仅限于几个Qubit。
图2描述了 T&M 设备如何广泛用于控制和测量实验性 QC（量子计算）系统中的Qubit。考虑到性能和灵活性水平，传统的台式仪器还是非常受欢迎的。在这些实验系统中，多个多通道 AWG 结合额外的IQ调制器和混频器以及多个多通道的微波信号发生器应用于量子层，而数字化仪则用于读取Qubit的状态。由于现代仪器强大的触发和同步功能，可以执行非常复杂和快速的激励和响应序列。

然而，实际所需的是真正实时闭环控制。
下图描述了控制和捕获Qubit的量子状态的方式对于每种技术和实现都是不同的。这里，两组不同的控制(绿色)和读出(红色)射频脉冲显示了两种不同的Qubit技术，拉比振荡（图3）和自旋回波（图4）。不过，它们有一些共同点。形状、时序、RF/µW载波频率和相位必须严格控制，并且每个步骤和每个脉冲都可能不同。除了多个外部 IQ（同相正交）调制器和混频器之外，使用传统 AWG生成此类信号还需要更多通道。在实际的量子计算系统中，每个步骤的控制脉冲的特性（形状、时序）取决于当前状态执行后读取的状态，并且必须在数百纳秒内对其进行分析和设置。

AnaPico致力于帮助全球领先的量子实验室实现超越100个量子比特的商用量子计算控制系统 (QCCS)：

•  量子比特生成：为量子冰箱（QuBits Fridge）注入多路相干的纯净量子脉冲信号
• 量子比特控制：长期稳定的量子相干性和独特的相参切换与记忆
• 量子态响应：具有亚纳秒级量子态低延迟的实时反馈及响应
• 可扩展的量子计算系统：系统范围内确保仪器的时序同步和未来升级扩展的便捷性

一.量子比特生成：为量子冰箱注入多路相干的纯净量子脉冲信号

AnaPico为Qubit脉冲相干信号准备了多种信号生成方案，它们的各自性能、特点甚至价格有所不同，但它们都具备一些共同的特征：
• 可在较小的机箱内（1U或2U）实现4路具有严格相参关系的射频和微波信号输出
• 每一个输出通道同时又是独立的，频率、功率、相位甚至信号调制都是单独可设
• 快速的频率及功率切换速度
以下是这些产品各自主要特点：

 

APMSxxG-x-ULN系列多通道相参模拟微波信号发生器

• 输出频率范围：300kHz至6GHz、12GHz、20GHz、33GHz或40GHz
• 通道数：2至4个独立可设通道
• 输出功率范围：-80dBm至+25dBm
• 相位噪声：-145dBc/Hz@20kHz，1GHz载波
• 频率及功率切换速度：25μs
• 完整的模拟调制功能
• 相参切换和相位记忆功能
• 多台设备间3GHz输入输出同步信号
• 通道间隔离度100dB
• 高性能的多通道相参微波信号生成方案

 

图 5：APMSxxG-x-ULN系列多通道相参模拟微波信号源

 

APVSG-x系列多通道相参矢量信号发生器
• 输出频率范围：10MHz至4GHz、6GHz、12GHz、20GHz或40GHz
• 输出通道数量：2或4个独立可设通道
• 输出功率范围：-60dBm至+20dBm
• 相位噪声：-145dBc/Hz@20kHz，1GHz载波
• 频率及功率切换速度：带内200ns，全频带800ns
• 完整的模拟和数字调制功能
• 信号带宽400MHz
• 多台设备间3GHz输入输出同步信号
• 直接生成Qubit脉冲相干信号无需再次混频
• 量子计算中AWG+微波本振混频架构的理想替代方案

 

图 6：APVSG-X系列多通道相参矢量信号发生器

 

APUASYN20-x系列通道相参频率综合器
• 输出频率范围：8kHz至20GHz
• 通道数：2、3至4个独立可设通道
• 输出功率范围：0dBm至+18dBm
• 相位噪声：-125dBc/Hz@20kHz，1GHz载波
• 频率及功率切换速度：5μs
• 基本的模拟调制功能，如脉冲和扫描
• 多台设备间200MHz输入输出同步信号
• 通道间隔离度90dB
• 经济的多通道相参微波信号生成方案

图 7：APUASYN20-x系列通道相参频率综合器

 

APSYN140-x系列通道相参频率综合器
• 输出频率范围：8kHz至40GHz
• 频率分辨率：0.00001Hz
• 通道数：2、3至4个独立可设通道
• 输出功率范围：-25dBm至+20dBm
• 相位噪声：-145dBc/Hz@20kHz，1GHz载波
• 频率及功率切换速度：20μs
• 基本的模拟调制功能，如FM、PM、脉冲和扫描
• 相参切换和相位记忆功能
• 多台设备间250MHz输入输出同步信号
• 通道间隔离度90dB
• 经济的多通道相参微波信号生成方案

 

图 8：APSYN140-x系列通道相参频率综合器

 

二.量子比特控制：长期稳定的量子相干性和独特的相参切换与记忆

AnaPico多通道相参信号源的每个通道都具有异常低的相位噪声和高度相关性，无论是短期还是长期的，均具有出色的相位相干性。单个单元所有通道之间共享高稳定性同步电路，采用专有技术进行精确的频率合成，即使经过数小时或数天的不间断使用，也可确保通道之间的系统相位漂移很小。一些应用需要四个以上的独立输出，并且需要在长时间内保持相位稳定性。AnaPico提供了专用的时钟同步模式，它使用后面板上的两个端口来维持一组级联的AnaPico信号源之间的相位一致性。这样，AnaPico可以扩展到几乎任何数量的通道。
为了证明随时间变化的相位稳定性，图9显示了在超过10个小时后两个5 GHz输出信号之间测得的相位差。蓝色轨迹显示了AnaPico信号源的两个单独通道之间具有出色的相位稳定性。同样，绿色轨迹显示了两个独立通道同步时的出色稳定性。为了进行比较，那些使用外部100 MHz参考信号锁相两个独立的信号发生器会导致明显的相位漂移——数百毫弧度——由红色轨迹显示。与常见的10 MHz参考信号同步会产生更差的性能。

 

图 9：AnaPico不同方案信号输出相位稳定性比较

 

除了出色的通道间相位稳定性外，AnaPico信号源还支持相位相干切换和相位存储（见图10）。它的通道可以同步，可以在任何频率下始终保持设定的相位关系。作为相位相干切换的示例，考虑设置为相同频率f1且相位偏移为Φ的两个通道。在将两个通道切换到任何其他频率，然后又回到初始频率f1之后，它们将具有相同的相位偏移Φ。还可以将AnaPico信号源编程为相位匹配输出（Φ=0度）。对一个通道进行编程不会影响其他通道的信号；只有被编程的通道具有相位不连续性。使用相位存储，每当信道频率跳变，然后返回到先前的频率时，其行为就好像一直在第一个频率下运行一样。通过级联和同步多个AnaPico信号源单元，可以将所有这些功能扩展到四个以上的通道。

 

 

三.量子态响应：具有亚纳秒级量子态低延迟的实时反馈及响应

根据前文所述，在实际的量子计算系统中，每个步骤的控制脉冲的特性（形状、时序）取决于当前状态执行后读取的状态，并且必须在数百纳秒内对其进行分析和设置。这就要求参与整个系统工作的每个子单元部分都要有足够快的响应时间，其中两部分最为关键：
• 相关信号频率的切换速度
• 控制系统的响应时间
通过前文所知，AnaPico的信号源都具有非常快的频率切换时间，如APVSG系列甚至可以达到带内200ns的极快切换速度，即使传统模拟锁相架构的信号源也达到了亚纳秒的级别。

 

另一个重要因素就是设备接收到指令的响应时间，市面上有些其它厂商的信号源也可以提供较快的频率切换速度，但是其先决条件是接收到用户指令并做出响应的时间必须排除在外，而这部分时间往往是ms级别。这对于整个系统的总处理时间是致命的！AnaPico针对这个问题专门开发了一种快速控制接口—FCP，FCP接口对于用户通过PC下发的指令响应速度几乎是实时的，同时FCP接口在APVSG系列矢量信号源上还可承担实时信号数据流盘播放的工作！

四、 可扩展的量子计算系统：系统范围内确保仪器的时序同步和未来升级扩展的便捷性

从前文可知，如果采用AWG作为Qubit的脉冲码型信号生成方案，每两个通道对应一个Qubit。当今的量子研究已达上百个Qubit的控制，而目前单台信号源设备都很难提供如此多的输出通道，这就需要多台设备集成在一起协同工作。前面我们已经了解普通信号源所提供100MHz输入输出参考很难确保多台设备间的长时间相位稳定。而AnaPico应对这个挑战不仅提供了1MHz至250MHz灵活可调外参考输入输出信号帮助AnaPico信号源间跨平台的相参同步，而在同一系列型号间更是提供了高达3GHz系统同步信号，以更高频率的同步信号确保多台信号源间的输出通道仍然能长期保持相位稳定性，这为用户未来系统的扩展提供了极大的便利性！

 

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结论

随着量子计算研究的发展，越来越多的T&M仪器供应商（如 AnaPico）正在进入这一领域。到目前为止，AnaPico是为数不多可以针对量子计算信号生成不同特点和要求提供综合解决方案的公司之一。APMS系列多通道相参信号源可以提供高质量相参本振信号，APUASYN20和APSYN140系列则是经济型的相参本振替代方案。而APVSG则更是在从基本Qubit脉冲控制信号的算法、基带到直接生成至微波信号提供了完整的解决方案，使用该方案用户将不再需要构建AWG+混频器+本振这样高成本且并不可靠的复杂方案，APVSG-x系列多通道相参矢量信号源将是未来主流的量子计算系统信号生成方案！