AQT 的超導量子比特控制系統——簡稱 QubiC——是可定制和模塊化的。QubiC 的性能數據發表在 IEEE Transactions on Quantum Engineering 上。來自伯克利實驗室加速器技術和應用物理部 ( ATAP ) 的研究人員 Gang Huang 和 Yilun Xu 領導了 AQT QubiC 設計，利用了粒子加速器研發中強大的技術遺產。AQT 由美國能源部科學辦公室的高級科學計算研究 (ASCR) 計劃資助。

需要更實惠的量子位控制

量子信息處理器需要昂貴的電子控制裝置來精確操縱量子比特。然而，開發能使量子計算機性能最大化的控制硬件既是理論上的也是實驗上的挑戰。此外，當前的相干時間是短暫的，并且大多數商用電子設備被設計為非量子系統的通用設備。控制和測量硬件的成本、尺寸和復雜性隨著量子比特數量的增加而增加。這為全球的初創公司和初級學術研究團體提供了一個重要的障礙。

AQT 在伯克利實驗室的研究人員正在通過為當前和未來的超導處理器設計 模塊化控制硬件 并開源系統的全棧代碼來應對這些控制挑戰，以便更廣泛的量子信息科學社區可以訪問、改進和利用它。

“"較新的控制電子系統不是為量子控制系統量身定做的，"黃解釋說。"所以量子研究人員需要通過購買更多的儀器使控制系統變得更大，因為處理器變得更加復雜。但是控制硬件的成本不應該是線性或指數的，這就是我們試圖進入的地方。通過從頭開始建立一個更容易獲得和負擔得起的系統，我們真正知道下面會發生什么，以便進一步集成和嘗試擴展設計。

QubiC 集成了一個 FPGA(現場可編程門陣列)RF(射頻)系統，該系統在室溫下調制信號以操縱和測量冷卻至低溫的超導量子位。AQT 的低溫稀釋冰箱“暴雪”達到非常低的溫度，接近絕對零。

QubiC 基于 Python 的軟件和固件實施控制和測量協議，以表征和 基準測試 量子芯片，優化一個和兩個量子比特門算法，并 減少錯誤。實驗結果表明，QubiC 以有希望的同步性和速度執行量子算法，以更低的成本提供類似于商用系統的結果。

“我們正在努力提供一種更模塊化、更實惠的硬件控制解決方案，它的性能與附加優勢相當或略好，”黃強調說。“但我們不能自己做所有事情，所以通過開源代碼，我們可以找到一個愿意支持、貢獻和發展的社區。”

QubiC 與商業和定制設計的電子產品兼容。因此，來自各種國家實驗室、初創公司和公司的測試平臺用戶對使用 QubiC 的可定制界面部署他們的項目表現出濃厚的興趣。

徐解釋說：“開源 QubiC 系統的完整堆棧使社區受益，因為更多的人可以貢獻、定制和改進它。作為從一開始就參與其設計的早期職業研究員，我學會了整合來自從工程到物理到實驗。”

利用粒子加速器的傳統

AQT 控制硬件的研發來自一個看似不太可能的來源，但它利用了伯克利實驗室的起源和 91 年的歷史： 粒子加速器。從緊湊型醫療機器到大型強子對撞機等廣泛的研究設施，加速器具有多種尺寸和用途，可加速帶電粒子并將其匯集到受控光束中以探索物質和能量。

隨著粒子加速器變得越來越強大，對最先進的儀器儀表和控制系統的需求也在增加。精確穩定粒子束和產生粒子束的精密設備至關重要。由此產生的技術和專有技術可以使許多其他領域受益，例如量子計算。

Huang 和 Xu 是伯克利加速器控制和儀表 ( BACI ) 計劃的成員，在這些控制系統方面的專業知識對于 ATAP 部門的各種努力至關重要。BACI 得到美國能源部高能物理辦公室通用加速器研發計劃的支持，在為粒子加速器項目開發精密控制和反饋系統方面擁有數十年的歷史。“我很高興看到以前對加速器控制的投資現在可以進一步開發并用于量子比特控制，”BACI 項目負責人李德潤說。

“粒子加速器是伯克利實驗室科學工作的重要組成部分，因此使用先進的基于 FPGA 的射頻控制技術和粒子束工程幫助我們簡化了量子硬件的定制，”黃補充道。“AQT 研究人員和測試平臺用戶能夠利用開源工具箱，更深入地了解具有成本效益和可擴展性的靈活控制硬件平臺。”

ATAP 主任 Cameron Geddes 將 AQT 超導處理器的 QubiC 設計描述為“在伯克利實驗室的團隊科學傳統中，為一個領域開發的功能如何使其他領域受益的經典示例”。

開放式測試平臺

可擴展量子計算機將需要對當前工具和標準技術進行重大修改，這就是為什么 AQT 研究人員率先在伯克利實驗室量子計算測試平臺項目中使用開源控制硬件，該項目的靈感來自粒子加速器的技術轉讓。

通過為 AQT 用戶提供對 QubiC 及其基礎設施的全棧訪問，更廣泛的社區可以使用最先進的超導量子處理器并共同參與其發展，這可能使 QubiC 也與其他量子計算技術兼容。