量子基礎

要了解如何為量子研究應用創建有效的測試和測量拓撲，讓我們從 10,000 英尺長的量子計算基礎知識概覽開始。第一個要掌握的概念是量子比特（“量子比特”的縮寫），即 量子信息的基本單位。本質上，量子位是用兩態設備物理實現的經典二進制位的量子版本。在經典系統中，位將處于一種狀態或另一種狀態（0 或 1）。然而，量子力學允許量子位同時處于兩種狀態的疊加，這是量子力學和量子計算的基礎。一個量子比特可以是 Up、Down 或 Up & Down。因此，與帶有寄存器 01 或 10 的經典二進制 1 和 0 不同，量子力學允許一個三元邏輯系統從單個量子位中獲得八個潛在結果。與僅提供 32 個結果的標準計算機相比，僅 5 個量子比特就可以產生 32,768 個結果。這允許通過運行每個排列來立即解決巨大的問題。

然而，在量子計算中可以使用多種類型的量子比特。半導體領域的量子比特可能是最常用的。鑒于未來幾年內可能出現的一些技術進步，半導體領域似乎也是將全量子計算機大規模開發成硅并最終進入商業項目的最快、最可行的選擇。就可觀察性或可行性而言，離子阱可能是量子比特的下一個狀態。可以使用電磁場將離子（帶電原子粒子）限制并懸浮在自由空間中，從而使量子比特以每個離子的穩定電子狀態存儲，并且可以通過離子在共享陷阱中的集體量化運動來傳遞量子信息。然而，在捕獲離子空間中進行成功的實驗比在半導體空間中要困難得多，因為它需要更多的設備，更難擴展，并且對進行觀測以及將這些觀測結果轉化為潛在的商業技術提出了更大的挑戰。飛行量子比特目前處于可能性的邊緣，現在很少使用，并且由于難以觀察它們的適當量子行為而難以研究。

在泰克，我們在一些看似完全不同的研究類別中發現了許多相似之處。例如，研究總是需要使用經過校準的測試和測量設備，例如信號源，這些設備的核心是努力校準和傳輸可能已實現的現象狀態。信號源可用于重新運行和驗證在自然狀態或以前重新創建的狀態下觀察到的內容，并以高度的完整性、校準和精度復制相同的場景。在獲得必要的信號后，下一步是驗證假設的實驗，然后是結果分析。讓我們考慮一個用于量子計算研究的實驗設置示例（圖 1）。

圖 1. 量子計算實驗裝置。

一個密封裝置，通常是一個低溫室，位于實驗裝置的中心，量子比特可以在其中運行。可以進行的小型、簡單實驗有幾個目標：管理和控制這些量子位以實現前面提到的八種不同狀態；讓多個量子比特與室內的一些控制元素并排工作；并觀察和管理該過程。從測試和測量的角度來看，信號源是測試設置的真正核心，因為它通過放大器、上變頻器、RF 轉換和不同的觸發類型將信號生成到安全殼系統中，從而得到增強。這些組件允許修改實驗，以確定可以應用多少控制以及控制如何操縱該受控系統中的力學和單個量子比特。圖 2 說明了 qubit 校準流程，它解釋了測試設置中發生的情況

圖 2. 量子位校準流程有四個主要階段：操作、讀取、調整和加載新內容。

此校準流程中的 AWG（任意波形發生器）是一類廣泛可用的信號源。在“操縱”階段，AWG 用于激發量子比特并將其移動到特定狀態。AWG 可以向實驗系統中的處理器發送脈沖形狀，并使用波形來調整量子位，確保該處理器的正確測量，并最終將該量子位激發到某種狀態。操作階段還包括使用 AWG 觀察的測量自校準。在“讀取”階段，AWG 脈沖可以觸發示波器測量或讀數到其他一些測量系統，例如基于 FPGA 的系統。AWG 還可以執行正確測量所需的波形調整。因此，在某些情況下，研究人員與 AWG 合作，通過小幅調整來校正該波形，以捕獲所需的測量值。正在修改的波形與 AWG 用于生成的文件相同。研究人員可以使用 MATLAB? 中的工具或 Tektronix 的 SourceXpress? 軟件等專有工具來校正波形文件。在此設置中，示波器主要讀取命令，通過可視化確認控制器正在發送和接收這些命令。

實驗過程的核心發生在“調整”階段。可以修改 AWG 的脈沖形狀以支持處理器要求，方法是修改頻率或上變頻，或調整采樣率以確定激發量子位以將其移動到不同狀態所需的條件。研究人員可以繼續調整和糾正來自 AWG 的所有不同波形的波形和排序。接下來，是研究人員重新進行實驗的時候了。時序在量子實驗中至關重要，因此研究人員需要能夠在修改反饋回路時快速重新編譯和重新發送波形的信號源。

AWG 遠非量子研究中唯一使用的信號源類型。其他選項包括矢量信號發生器 (VSG)、數模轉換器 (DAC) 和現場可編程門陣列 (FPGA) 以及微波發生器的組合。每個信號源選項都有其優點和缺點，但依賴信號源輸出的能力對于保持量子實驗的一致性和信心至關重要。來自信號源的噪聲會影響量子位激勵器負載，以及在信號波形中發送的任何命令語言。數字和模擬通道數也很重要，因為激發量子位狀態需要多個通道。通常，對高通道數的需求需要使用成堆的儀器，這可能會導致找到足夠的物理空間來容納它們以及組裝系統所需的開發時間是一個重大問題。量子裝置的組裝非常復雜，因為每個量子位或實驗都可能需要多個獨立（非復用）信號，并且每個信號可能需要自己的上變頻、預失真和調節。連接所有這些部件需要大量的電纜。考慮到跨多個信號源通道擴展系統時涉及的組件數量，擁有一個公共時間參考對于準確的系統同步和觸發至關重要。可調節以解決系統中任何不可避免的時序延遲的最小偏差以及隨時間保持低時序抖動的能力同樣重要。連接所有這些部件需要大量的電纜。考慮到跨多個信號源通道擴展系統時涉及的組件數量，擁有一個公共時間參考對于準確的系統同步和觸發至關重要。可調節以解決系統中任何不可避免的時序延遲的最小偏差以及隨時間保持低時序抖動的能力同樣重要。連接所有這些部件需要大量的電纜。考慮到跨多個信號源通道擴展系統時涉及的組件數量，擁有一個公共時間參考對于準確的系統同步和觸發至關重要。可調節以解決系統中任何不可避免的時序延遲的最小偏差以及隨時間保持低時序抖動的能力同樣重要。

圖 3. 擴展量子研究設置時，可以輕松同步兩個 AWG-5208 8 通道任意波形發生器以創建 16 通道配置。

許多儀器制造商正在努力通過將多個信號生成和反饋功能組合到一個盒子中來簡化這個復雜的系統構建過程。例如，泰克的AWG5200 系列任意波形發生器（圖 3）旨在為量子計算實驗提供良好的基帶生成支持和高完整性輸出。AWG5200 提供 16 位 DAC 分辨率、每通道 2GSamples 的內存以及高達 10G 樣本/秒的采樣率。直接生成 RF 信號、使用預校準和預補償 s 參數軟件構建設置的能力以及低 SFDR 有助于確保信號準確性。可選擇 2 通道、4 通道和 8 通道配置以及交流和直流輸出選項以及多單元同步，從而實現更高效、更具成本效益的系統擴展。MATLAB 命令和 SourceXpress 軟件都與用于修改波形的 AWG5200 兼容。