前言

隨著量子計算研究的發展，越來越多的T&M儀器供應商（如 AnaPico）正在進入這一領域。到目前為止，AnaPico是為數不多可以針對量子計算信號生成不同特點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量相參本振信號，APUASYN20和APSYN140系列則是經濟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建AWG+混頻器+本振這樣高成本且并不可靠的復雜方案，APVSG-x系列多通道相參矢量信號源將是未來主流的量子計算系統信號生成方案！

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量子物理學是當今發展最快的研究領域之一。政府和私人組織正在投入大量資源，以爭取科學和商業顛覆性的成就。
信號發生器尤其是多通道相參信號發生器在量子計算陣列中起著至關重要的作用，因為它們在控制Qubit、Qubit測量和分析領域參與了各種類型的實驗。

AnaPico所獨特的射頻微波多通道相干技術為這個快速發展的行業提供領先的控制電子解決方案，幫助您降低量子實驗的復雜性、成本和設置時間！

背景

在量子計算中，一個Qubit或量子信息的Qubit是一個單位。Qubit是一種雙態量子力學系統，是經典比特的量子模擬。在經典系統中，比特必須處于一種狀態或另一種狀態。然而，量子力學允許Qubit同時處于兩種狀態的疊加狀態。
單個Qubit的可能狀態可以使用Bloch球體進行可視化（見圖 1）。在這樣的球體上我們可以發現，經典比特只能位于“北極”或“南極”，即分別位于I0>和I1>的位置。經典比特無法訪問球體表面的其余部分，但Qubit狀態則可以用表面上或內部的任何點表示。

在量子信息領域中，布洛赫球體扮演著統一的角色，因為所有的量子比特都可以用這種方式表示，無論它們如何實際實現。最著名的兩級系統是自旋spin^(-1?2)粒子，其他系統經常映射在spin^(-1?2)上 以獲得更好的判斷。
Qubit純態一般可以寫成以下形式：

從“概念驗證”實驗到全功能量子計算機

過去，大多數與量子計算相關的實驗都沒有以執行實際計算為目標。它們基本上是應用于Qubit的材料和架構研究的“概念驗證”實驗，但這是控制和捕獲其量子狀態、實現量子門和驗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）設備來實現這樣的研究系統。在量子計算研究系統中，多個AWG（任意波形發生器）通道用于產生量子狀態控制和讀取信號，并結合一些數字化儀或實時DSO（數字存儲示波器）來捕獲Qubit的態。受到AWG和數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制微波載波的無法直接生成或捕獲這樣的信號，陣列波導光柵和數字化儀必須用一些混合器的組合實現更高的頻率要求。此時混頻器和IQ調制器就需要多個額外并且信號相干的微波（LO）發生器（即CW微波發生器）。還需要額外的模擬和數字控制信號。結果，每個Qubit的成本很高，而系統的可擴展性僅限于幾個Qubit。
圖2描述了 T&M 設備如何廣泛用于控制和測量實驗性 QC（量子計算）系統中的Qubit。考慮到性能和靈活性水平，傳統的臺式儀器還是非常受歡迎的。在這些實驗系統中，多個多通道 AWG 結合額外的IQ調制器和混頻器以及多個多通道的微波信號發生器應用于量子層，而數字化儀則用于讀取Qubit的狀態。由于現代儀器強大的觸發和同步功能，可以執行非常復雜和快速的激勵和響應序列。

然而，實際所需的是真正實時閉環控制。
下圖描述了控制和捕獲Qubit的量子狀態的方式對于每種技術和實現都是不同的。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，拉比振蕩（圖3）和自旋回波（圖4）。不過，它們有一些共同點。形狀、時序、RF/μW載波頻率和相位必須嚴格控制，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）調制器和混頻器之外，使用傳統 AWG生成此類信號還需要更多通道。在實際的量子計算系統中，每個步驟的控制脈沖的特性（形狀、時序）取決于當前狀態執行后讀取的狀態，并且必須在數百納秒內對其進行分析和設置。

AnaPico致力于幫助全球領先的量子實驗室實現超越100個量子比特的商用量子計算控制系統 (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：長期穩定的量子相干性和獨特的相參切換與記憶
• 量子態響應：具有亞納秒級量子態低延遲的實時反饋及響應
• 可擴展的量子計算系統：系統范圍內確保儀器的時序同步和未來升級擴展的便捷性

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脈沖相干信號準備了多種信號生成方案，它們的各自性能、特點甚至價格有所不同，但它們都具備一些共同的特征：
? 可在較小的機箱內（1U或2U）實現4路具有嚴格相參關系的射頻和微波信號輸出
? 每一個輸出通道同時又是獨立的，頻率、功率、相位甚至信號調制都是單獨可設
? 快速的頻率及功率切換速度
以下是這些產品各自主要特點：

APMSxxG-x-ULN系列多通道相參模擬微波信號發生器

• 輸出頻率范圍：300kHz至6GHz、12GHz、20GHz、33GHz或40GHz
• 通道數：2至4個獨立可設通道
• 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
• 完整的模擬調制功能
• 相參切換和相位記憶功能
• 多臺設備間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

圖 5：APMSxxG-x-ULN系列多通道相參模擬微波信號源

APVSG-x系列多通道相參矢量信號發生器
? 輸出頻率范圍：10MHz至4GHz、6GHz、12GHz、20GHz或40GHz
? 輸出通道數量：2或4個獨立可設通道
? 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200ns，全頻帶800ns
? 完整的模擬和數字調制功能
? 信號帶寬400MHz
? 多臺設備間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
? 量子計算中AWG+微波本振混頻架構的理想替代方案

圖 6：APVSG-X系列多通道相參矢量信號發生器

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：2、3至4個獨立可設通道
? 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
? 基本的模擬調制功能，如脈沖和掃描
? 多臺設備間200MHz輸入輸出同步信號
? 通道間隔離度90dB
? 經濟的多通道相參微波信號生成方案

圖 7：APUASYN20-x系列通道相參頻率綜合器

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：2、3至4個獨立可設通道
? 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
? 多臺設備間250MHz輸入輸出同步信號
? 通道間隔離度90dB
? 經濟的多通道相參微波信號生成方案

圖 8：APSYN140-x系列通道相參頻率綜合器

二.量子比特控制：長期穩定的量子相干性和獨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定性同步電路，采用專有技術進行精確的頻率合成，即使經過數小時或數天的不間斷使用，也可確保通道之間的系統相位漂移很小。一些應用需要四個以上的獨立輸出，并且需要在長時間內保持相位穩定性。AnaPico提供了專用的時鐘同步模式，它使用后面板上的兩個端口來維持一組級聯的AnaPico信號源之間的相位一致性。這樣，AnaPico可以擴展到幾乎任何數量的通道。
為了證明隨時間變化的相位穩定性，圖9顯示了在超過10個小時后兩個5 GHz輸出信號之間測得的相位差。藍色軌跡顯示了AnaPico信號源的兩個單獨通道之間具有出色的相位穩定性。同樣，綠色軌跡顯示了兩個獨立通道同步時的出色穩定性。為了進行比較，那些使用外部100 MHz參考信號鎖相兩個獨立的信號發生器會導致明顯的相位漂移——數百毫弧度——由紅色軌跡顯示。與常見的10 MHz參考信號同步會產生更差的性能。

圖 9：AnaPico不同方案信號輸出相位穩定性比較

除了出色的通道間相位穩定性外，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定的相位關系。作為相位相干切換的示例，考慮設置為相同頻率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性。使用相位存儲，每當信道頻率跳變，然后返回到先前的頻率時，其行為就好像一直在第一個頻率下運行一樣。通過級聯和同步多個AnaPico信號源單元，可以將所有這些功能擴展到四個以上的通道。

三.量子態響應：具有亞納秒級量子態低延遲的實時反饋及響應

根據前文所述，在實際的量子計算系統中，每個步驟的控制脈沖的特性（形狀、時序）取決于當前狀態執行后讀取的狀態，并且必須在數百納秒內對其進行分析和設置。這就要求參與整個系統工作的每個子單元部分都要有足夠快的響應時間，其中兩部分最為關鍵：
? 相關信號頻率的切換速度
? 控制系統的響應時間
通過前文所知，AnaPico的信號源都具有非常快的頻率切換時間，如APVSG系列甚至可以達到帶內200ns的極快切換速度，即使傳統模擬鎖相架構的信號源也達到了亞納秒的級別。

另一個重要因素就是設備接收到指令的響應時間，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的時間必須排除在外，而這部分時間往往是ms級別。這對于整個系統的總處理時間是致命的！AnaPico針對這個問題專門開發了一種快速控制接口—FCP，FCP接口對于用戶通過PC下發的指令響應速度幾乎是實時的，同時FCP接口在APVSG系列矢量信號源上還可承擔實時信號數據流盤播放的工作！

四、 可擴展的量子計算系統：系統范圍內確保儀器的時序同步和未來升級擴展的便捷性

從前文可知，如果采用AWG作為Qubit的脈沖碼型信號生成方案，每兩個通道對應一個Qubit。當今的量子研究已達上百個Qubit的控制，而目前單臺信號源設備都很難提供如此多的輸出通道，這就需要多臺設備集成在一起協同工作。前面我們已經了解普通信號源所提供100MHz輸入輸出參考很難確保多臺設備間的長時間相位穩定。而AnaPico應對這個挑戰不僅提供了1MHz至250MHz靈活可調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3GHz系統同步信號，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定性，這為用戶未來系統的擴展提供了極大的便利性！

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結論

隨著量子計算研究的發展，越來越多的T&M儀器供應商（如 AnaPico）正在進入這一領域。到目前為止，AnaPico是為數不多可以針對量子計算信號生成不同特點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量相參本振信號，APUASYN20和APSYN140系列則是經濟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建AWG+混頻器+本振這樣高成本且并不可靠的復雜方案，APVSG-x系列多通道相參矢量信號源將是未來主流的量子計算系統信號生成方案！