前言

隨著量子計(jì)算研究的發(fā)展，越來越多的T&M儀器供應(yīng)商（如 AnaPico）正在進(jìn)入這一領(lǐng)域。到目前為止，AnaPico是為數(shù)不多可以針對量子計(jì)算信號生成不同特點(diǎn)和要求提供綜合解決方案的公司之一。APMS系列多通道相參信號源可以提供高質(zhì)量相參本振信號，APUASYN20和APSYN140系列則是經(jīng)濟(jì)型的相參本振替代方案。而APVSG則更是在從基本Qubit脈沖控制信號的算法、基帶到直接生成至微波信號提供了完整的解決方案，使用該方案用戶將不再需要構(gòu)建AWG+混頻器+本振這樣高成本且并不可靠的復(fù)雜方案，APVSG-x系列多通道相參矢量信號源將是未來主流的量子計(jì)算系統(tǒng)信號生成方案！

量子物理學(xué)是當(dāng)今發(fā)展最快的研究領(lǐng)域之一。政府和私人組織正在投入大量資源，以爭取科學(xué)和商業(yè)顛覆性的成就。
信號發(fā)生器尤其是多通道相參信號發(fā)生器在量子計(jì)算陣列中起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)樗鼈冊诳刂芉ubit、Qubit測量和分析領(lǐng)域參與了各種類型的實(shí)驗(yàn)。

AnaPico所獨(dú)特的射頻微波多通道相干技術(shù)為這個快速發(fā)展的行業(yè)提供領(lǐng)先的控制電子解決方案，幫助您降低量子實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性、成本和設(shè)置時(shí)間！

背景

在量子計(jì)算中，一個Qubit或量子信息的Qubit是一個單位。Qubit是一種雙態(tài)量子力學(xué)系統(tǒng)，是經(jīng)典比特的量子模擬。在經(jīng)典系統(tǒng)中，比特必須處于一種狀態(tài)或另一種狀態(tài)。然而，量子力學(xué)允許Qubit同時(shí)處于兩種狀態(tài)的疊加狀態(tài)。
單個Qubit的可能狀態(tài)可以使用Bloch球體進(jìn)行可視化（見圖 1）。在這樣的球體上我們可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)典比特只能位于“北極”或“南極”，即分別位于I0>和I1>的位置。經(jīng)典比特?zé)o法訪問球體表面的其余部分，但Qubit狀態(tài)則可以用表面上或內(nèi)部的任何點(diǎn)表示。

在量子信息領(lǐng)域中，布洛赫球體扮演著統(tǒng)一的角色，因?yàn)樗械牧孔颖忍囟伎梢杂眠@種方式表示，無論它們?nèi)绾螌?shí)際實(shí)現(xiàn)。最著名的兩級系統(tǒng)是自旋spin^(-1?2)粒子，其他系統(tǒng)經(jīng)常映射在spin^(-1?2)上 以獲得更好的判斷。
Qubit純態(tài)一般可以寫成以下形式：

從“概念驗(yàn)證”實(shí)驗(yàn)到全功能量子計(jì)算機(jī)

過去，大多數(shù)與量子計(jì)算相關(guān)的實(shí)驗(yàn)都沒有以執(zhí)行實(shí)際計(jì)算為目標(biāo)。它們基本上是應(yīng)用于Qubit的材料和架構(gòu)研究的“概念驗(yàn)證”實(shí)驗(yàn)，但這是控制和捕獲其量子狀態(tài)、實(shí)現(xiàn)量子門和驗(yàn)證其操作原理的最佳方法。所選擇的Qubit控制裝置普遍采用高性能的T＆M（測試和測量）設(shè)備來實(shí)現(xiàn)這樣的研究系統(tǒng)。在量子計(jì)算研究系統(tǒng)中，多個AWG（任意波形發(fā)生器）通道用于產(chǎn)生量子狀態(tài)控制和讀取信號，并結(jié)合一些數(shù)字化儀或?qū)崟r(shí)DSO（數(shù)字存儲示波器）來捕獲Qubit的態(tài)。受到AWG和數(shù)字化儀的采樣率限制那些通常由在某種由幅度和相位的近高斯脈沖的一些序列調(diào)制微波載波的無法直接生成或捕獲這樣的信號，陣列波導(dǎo)光柵和數(shù)字化儀必須用一些混合器的組合實(shí)現(xiàn)更高的頻率要求。此時(shí)混頻器和IQ調(diào)制器就需要多個額外并且信號相干的微波（LO）發(fā)生器（即CW微波發(fā)生器）。還需要額外的模擬和數(shù)字控制信號。結(jié)果，每個Qubit的成本很高，而系統(tǒng)的可擴(kuò)展性僅限于幾個Qubit。
圖2描述了 T&M 設(shè)備如何廣泛用于控制和測量實(shí)驗(yàn)性 QC（量子計(jì)算）系統(tǒng)中的Qubit。考慮到性能和靈活性水平，傳統(tǒng)的臺式儀器還是非常受歡迎的。在這些實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，多個多通道 AWG 結(jié)合額外的IQ調(diào)制器和混頻器以及多個多通道的微波信號發(fā)生器應(yīng)用于量子層，而數(shù)字化儀則用于讀取Qubit的狀態(tài)。由于現(xiàn)代儀器強(qiáng)大的觸發(fā)和同步功能，可以執(zhí)行非常復(fù)雜和快速的激勵和響應(yīng)序列。

然而，實(shí)際所需的是真正實(shí)時(shí)閉環(huán)控制。
下圖描述了控制和捕獲Qubit的量子狀態(tài)的方式對于每種技術(shù)和實(shí)現(xiàn)都是不同的。這里，兩組不同的控制(綠色)和讀出(紅色)射頻脈沖顯示了兩種不同的Qubit技術(shù)，拉比振蕩（圖3）和自旋回波（圖4）。不過，它們有一些共同點(diǎn)。形狀、時(shí)序、RF/μW載波頻率和相位必須嚴(yán)格控制，并且每個步驟和每個脈沖都可能不同。除了多個外部 IQ（同相正交）調(diào)制器和混頻器之外，使用傳統(tǒng) AWG生成此類信號還需要更多通道。在實(shí)際的量子計(jì)算系統(tǒng)中，每個步驟的控制脈沖的特性（形狀、時(shí)序）取決于當(dāng)前狀態(tài)執(zhí)行后讀取的狀態(tài)，并且必須在數(shù)百納秒內(nèi)對其進(jìn)行分析和設(shè)置。

AnaPico致力于幫助全球領(lǐng)先的量子實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)超越100個量子比特的商用量子計(jì)算控制系統(tǒng) (QCCS)：

• 量子比特生成：為量子冰箱（QuBits Fridge）注入多路相干的純凈量子脈沖信號
• 量子比特控制：長期穩(wěn)定的量子相干性和獨(dú)特的相參切換與記憶
• 量子態(tài)響應(yīng)：具有亞納秒級量子態(tài)低延遲的實(shí)時(shí)反饋及響應(yīng)
• 可擴(kuò)展的量子計(jì)算系統(tǒng)：系統(tǒng)范圍內(nèi)確保儀器的時(shí)序同步和未來升級擴(kuò)展的便捷性

一.量子比特生成：為量子冰箱注入多路相干的純凈量子脈沖信號

AnaPico為Qubit脈沖相干信號準(zhǔn)備了多種信號生成方案，它們的各自性能、特點(diǎn)甚至價(jià)格有所不同，但它們都具備一些共同的特征：
? 可在較小的機(jī)箱內(nèi)（1U或2U）實(shí)現(xiàn)4路具有嚴(yán)格相參關(guān)系的射頻和微波信號輸出
? 每一個輸出通道同時(shí)又是獨(dú)立的，頻率、功率、相位甚至信號調(diào)制都是單獨(dú)可設(shè)
? 快速的頻率及功率切換速度
以下是這些產(chǎn)品各自主要特點(diǎn)：

APMSxxG-x-ULN系列多通道相參模擬微波信號發(fā)生器

• 輸出頻率范圍：300kHz至6GHz、12GHz、20GHz、33GHz或40GHz
• 通道數(shù)：2至4個獨(dú)立可設(shè)通道
• 輸出功率范圍：-80dBm至+25dBm
• 相位噪聲：-145dBc/Hz@20kHz，1GHz載波
• 頻率及功率切換速度：25μs
• 完整的模擬調(diào)制功能
• 相參切換和相位記憶功能
• 多臺設(shè)備間3GHz輸入輸出同步信號
• 通道間隔離度100dB
• 高性能的多通道相參微波信號生成方案

APVSG-x系列多通道相參矢量信號發(fā)生器
? 輸出頻率范圍：10MHz至4GHz、6GHz、12GHz、20GHz或40GHz
? 輸出通道數(shù)量：2或4個獨(dú)立可設(shè)通道
? 輸出功率范圍：-60dBm至+20dBm
? 相位噪聲：-145dBc/Hz@20kHz，1GHz載波
? 頻率及功率切換速度：帶內(nèi)200ns，全頻帶800ns
? 完整的模擬和數(shù)字調(diào)制功能
? 信號帶寬400MHz
? 多臺設(shè)備間3GHz輸入輸出同步信號
? 直接生成Qubit脈沖相干信號無需再次混頻
? 量子計(jì)算中AWG+微波本振混頻架構(gòu)的理想替代方案

APUASYN20-x系列通道相參頻率綜合器
? 輸出頻率范圍：8kHz至20GHz
? 通道數(shù)：2、3至4個獨(dú)立可設(shè)通道
? 輸出功率范圍：0dBm至+18dBm
? 相位噪聲：-125dBc/Hz@20kHz，1GHz載波
? 頻率及功率切換速度：5μs
? 基本的模擬調(diào)制功能，如脈沖和掃描
? 多臺設(shè)備間200MHz輸入輸出同步信號
? 通道間隔離度90dB
? 經(jīng)濟(jì)的多通道相參微波信號生成方案

APSYN140-x系列通道相參頻率綜合器
? 輸出頻率范圍：8kHz至40GHz
? 頻率分辨率：0.00001Hz
? 通道數(shù)：2、3至4個獨(dú)立可設(shè)通道
? 輸出功率范圍：-25dBm至+20dBm
? 相位噪聲：-145dBc/Hz@20kHz，1GHz載波
? 頻率及功率切換速度：20μs
? 基本的模擬調(diào)制功能，如FM、PM、脈沖和掃描
? 相參切換和相位記憶功能
? 多臺設(shè)備間250MHz輸入輸出同步信號
? 通道間隔離度90dB
? 經(jīng)濟(jì)的多通道相參微波信號生成方案

二.量子比特控制：長期穩(wěn)定的量子相干性和獨(dú)特的相參切換與記憶

AnaPico多通道相參信號源的每個通道都具有異常低的相位噪聲和高度相關(guān)性，無論是短期還是長期的，均具有出色的相位相干性。單個單元所有通道之間共享高穩(wěn)定性同步電路，采用專有技術(shù)進(jìn)行精確的頻率合成，即使經(jīng)過數(shù)小時(shí)或數(shù)天的不間斷使用，也可確保通道之間的系統(tǒng)相位漂移很小。一些應(yīng)用需要四個以上的獨(dú)立輸出，并且需要在長時(shí)間內(nèi)保持相位穩(wěn)定性。AnaPico提供了專用的時(shí)鐘同步模式，它使用后面板上的兩個端口來維持一組級聯(lián)的AnaPico信號源之間的相位一致性。這樣，AnaPico可以擴(kuò)展到幾乎任何數(shù)量的通道。
為了證明隨時(shí)間變化的相位穩(wěn)定性，圖9顯示了在超過10個小時(shí)后兩個5 GHz輸出信號之間測得的相位差。藍(lán)色軌跡顯示了AnaPico信號源的兩個單獨(dú)通道之間具有出色的相位穩(wěn)定性。同樣，綠色軌跡顯示了兩個獨(dú)立通道同步時(shí)的出色穩(wěn)定性。為了進(jìn)行比較，那些使用外部100 MHz參考信號鎖相兩個獨(dú)立的信號發(fā)生器會導(dǎo)致明顯的相位漂移——數(shù)百毫弧度——由紅色軌跡顯示。與常見的10 MHz參考信號同步會產(chǎn)生更差的性能。

除了出色的通道間相位穩(wěn)定性外，AnaPico信號源還支持相位相干切換和相位存儲（見圖10）。它的通道可以同步，可以在任何頻率下始終保持設(shè)定的相位關(guān)系。作為相位相干切換的示例，考慮設(shè)置為相同頻率f1且相位偏移為Φ的兩個通道。在將兩個通道切換到任何其他頻率，然后又回到初始頻率f1之后，它們將具有相同的相位偏移Φ。還可以將AnaPico信號源編程為相位匹配輸出（Φ=0度）。對一個通道進(jìn)行編程不會影響其他通道的信號；只有被編程的通道具有相位不連續(xù)性。使用相位存儲，每當(dāng)信道頻率跳變，然后返回到先前的頻率時(shí)，其行為就好像一直在第一個頻率下運(yùn)行一樣。通過級聯(lián)和同步多個AnaPico信號源單元，可以將所有這些功能擴(kuò)展到四個以上的通道。

三.量子態(tài)響應(yīng)：具有亞納秒級量子態(tài)低延遲的實(shí)時(shí)反饋及響應(yīng)

根據(jù)前文所述，在實(shí)際的量子計(jì)算系統(tǒng)中，每個步驟的控制脈沖的特性（形狀、時(shí)序）取決于當(dāng)前狀態(tài)執(zhí)行后讀取的狀態(tài)，并且必須在數(shù)百納秒內(nèi)對其進(jìn)行分析和設(shè)置。這就要求參與整個系統(tǒng)工作的每個子單元部分都要有足夠快的響應(yīng)時(shí)間，其中兩部分最為關(guān)鍵：
? 相關(guān)信號頻率的切換速度
? 控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間
通過前文所知，AnaPico的信號源都具有非?？斓念l率切換時(shí)間，如APVSG系列甚至可以達(dá)到帶內(nèi)200ns的極快切換速度，即使傳統(tǒng)模擬鎖相架構(gòu)的信號源也達(dá)到了亞納秒的級別。

另一個重要因素就是設(shè)備接收到指令的響應(yīng)時(shí)間，市面上有些其它廠商的信號源也可以提供較快的頻率切換速度，但是其先決條件是接收到用戶指令并做出響應(yīng)的時(shí)間必須排除在外，而這部分時(shí)間往往是ms級別。這對于整個系統(tǒng)的總處理時(shí)間是致命的！AnaPico針對這個問題專門開發(fā)了一種快速控制接口—FCP，F(xiàn)CP接口對于用戶通過PC下發(fā)的指令響應(yīng)速度幾乎是實(shí)時(shí)的，同時(shí)FCP接口在APVSG系列矢量信號源上還可承擔(dān)實(shí)時(shí)信號數(shù)據(jù)流盤播放的工作！

四、 可擴(kuò)展的量子計(jì)算系統(tǒng)：系統(tǒng)范圍內(nèi)確保儀器的時(shí)序同步和未來升級擴(kuò)展的便捷性

從前文可知，如果采用AWG作為Qubit的脈沖碼型信號生成方案，每兩個通道對應(yīng)一個Qubit。當(dāng)今的量子研究已達(dá)上百個Qubit的控制，而目前單臺信號源設(shè)備都很難提供如此多的輸出通道，這就需要多臺設(shè)備集成在一起協(xié)同工作。前面我們已經(jīng)了解普通信號源所提供100MHz輸入輸出參考很難確保多臺設(shè)備間的長時(shí)間相位穩(wěn)定。而AnaPico應(yīng)對這個挑戰(zhàn)不僅提供了1MHz至250MHz靈活可調(diào)外參考輸入輸出信號幫助AnaPico信號源間跨平臺的相參同步，而在同一系列型號間更是提供了高達(dá)3GHz系統(tǒng)同步信號，以更高頻率的同步信號確保多臺信號源間的輸出通道仍然能長期保持相位穩(wěn)定性，這為用戶未來系統(tǒng)的擴(kuò)展提供了極大的便利性！

結(jié)論

隨著量子計(jì)算研究的發(fā)展，越來越多的T&M儀器供應(yīng)商（如 AnaPico）正在進(jìn)入這一領(lǐng)域。到目前為止，AnaPico是為數(shù)不多可以針對量子計(jì)算信號生成不同特點(diǎn)和要求提供綜合解決方案的公司之一。APMS系列多通道相參信號源可以提供高質(zhì)量相參本振信號，APUASYN20和APSYN140系列則是經(jīng)濟(jì)型的相參本振替代方案。而APVSG則更是在從基本Qubit脈沖控制信號的算法、基帶到直接生成至微波信號提供了完整的解決方案，使用該方案用戶將不再需要構(gòu)建AWG+混頻器+本振這樣高成本且并不可靠的復(fù)雜方案，APVSG-x系列多通道相參矢量信號源將是未來主流的量子計(jì)算系統(tǒng)信號生成方案！