QCCS 量子计算控制系统

• 可扩展性设计：高通道密度、可随时添加更多的控制和读取仪器，并保证系统性能的一致性。
• 提高生产力的软件：用户可以通过 LabOne 使用高级量子算法来控制 QCCS
• 满足量子技术应用的硬件性能：低噪声，高分辨率和大带宽。
• 成熟稳健的系统方法：精确同步，可靠运行。
• 反馈操作：快速的数据传输，强大的解码能力。

系统控制

• 单机操作
• 整个系统的同步和实时操作
• 任务并行和队列化运行，以最小化量子设备上的空闲时间
• 与其他量子框架的接口
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量子位控制

• 获得最大的量子门保真度：低噪声，高带宽，高稳定性
• 适用于所有典型单比特和两比特控制信号的解决方案
• 高效的存储排序使系统利用率更高

量子位读出

• 每台仪器最多可读取 64 个量子位
• 最高的读出保真度
• 低延迟，实时操作
• 多量子态鉴别功能，Qutrit 和 Ququads 分析
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量子反馈

• 支持多种配置：从单量子位到大规模量子计算
• 低至 50 ns 的超低延迟
• 强大的多量子态解码器

苏黎世仪器（Zurich Instruments）QCCS 遵循模块化的系统控制方法，即根据量子系统的规模和量子比特技术将不同的仪器组合在一起并作为一个整体进行控制。用户可以调整 QCCS 中组件的类型和数量，以适应不断变化的需求，并通过单一软件界面实现整个系统的同步和控制。这种方法大大降低了系统的复杂度和控制的工作量，如减少装配集成，系统校准和硬件编程需要的时间，因此用户可以更加集中精力专注于量子计算的物理问题。该方法的另一个显著优势是能够在控制软件中并行执行任务，并将任务排队以优化量子设备的运行时间。

使用 QCCS，用户可以

• 可以从电路级和门级软件开发套件（SDK）着手，逐步向将量子计算机与应用软件对接，进而将应用软件在远程计算机，研究机构的局域网内或云中使用。
• 控制底层的脉冲信号和信号采集来实现各种量子信息处理实验，例如纠错协议，表面代码或随机基准测试。

LabOne QCCS 软件架构同时支持以上两个方面，可实现快速调谐，反复自动校准和自定义实验。

全量子堆栈

量子堆栈将硬件和软件整合为一体。不同量子计算机用户对量子堆栈有不同的需求。量子化学科研人员最感兴趣的可能是量子堆栈的最高层，理论物理学家可能对的量子编译器和汇编器的编码更感兴趣，而实验物理学家可能更想知道这些算法如何在硬件上实现以及如何处理测量结果并返回给用户。量子堆栈中的信息流，包括硬件设置，时序和数据，必须精细管理和控制，以确保同步性，并行性以及理想的用户体验，即堆栈的每一层都能准确无误地运行。

系统架构

量子计算控制系统（QCCS）将苏黎世仪器公司的软件和硬件整合到一个系统中，从而有效地衔接高级量子算法与来自物理系统的模拟信号。 QCCS 包括：

• PQSC 可编程量子系统控制器，可同步和控制多达 18 个 HDAWG。
• UHFQA 量子分析仪，采用最先进的滤波器技术，可同时读取多达 10 个量子比特。
• HDAWG 任意波形发生器，高密度任意波形发生器 (4 或 8 通道)，适用于量子比特控制。
• SHFSG 信号发生器，直接输出低噪声微波脉冲，无需校准混频器，适用于高保真度量子比特控制。
• SHFQA 量子分析仪，提供多达 64 个超导或自旋量子比特的完全实时读取。
• HDIQ IQ 调制器，借助第三方本机振荡器将任意波形的中频信号转换为任意波形的微波信号。
• LabOne 控制软件，及应用程序接口软件 Python，C，MATLAB^®，LabVIEW™ 和 .NET。

软件架构

Zurich Instruments QCCS 软件为用户提供了脉冲层次的访问权限，并以此为基本抽象层及整个系统的切入点。脉冲级抽象层实现了对脉冲的参数控制，实时和近实时动态脉冲更新，以及在更高级别上回调到用户定义的脉冲库。用户可以定义和优化不同的脉冲组合以实现单量子门和全量子电路，并以此为模板用于其它量子信息处理实验。

量子信息处理实验可以在 QCCS 软件界面上以 Python 的领域特定语言（DSL）表示，也可以直接以与语言无关的数据格式（JSON）表示。 QCCS 软件界面具有 Python 和 JSON 的声明式编程，而不是命令式编程，从而明确区分 Zurich Instruments 和客户软件，因此方便调试。 QCCS 软件的后端负责各个苏黎世仪器产品和第三方设备的编程和同步，实验的执行以及测量结果的检索。

借助 Python Jupyter Notebook 和 JSON 框架中的丰富示例，用户可以使 Zurich Instruments 量子计算控制电子设备过渡到门级控制，并实现快速调谐和校准实验。

与其他量子框架的接口

当今可用的量子计算软件工具集在不断地增长，如 Qiskit，QCoDeS 和 PycQED。借助 QCCS 软件界面，用户将直接受益于这些丰富的工具集，进而实现量子电路的编码，优化和可视化。QCCS 软件支持跨量子硬件和经典硬件的工作流程，并将测量结果，仪器设置，环境参数和算法记录在数据库中。

高保真量子比特操控和读取

工作频率高达 8.5 GHz，SHFQC 采用双超外差上下变频技术，而非 IQ 混频方案，以滤波而非介入的形式实现频谱纯净，因此它的工作频段更宽，线性度更高。微波频率合成器专为高保真量子比特控制和读取而设计，低相噪和低抖动覆盖所有的输出频率范围。从而，SHFQC 可以输出无杂散和稳定的信号，瞬时带宽高达 1 GHz，无需混频器校准，节约系统维护时间。 

当用一根读取线同时读取多个量子比特时，如果杂散信号的频率正好与量子比特读取频率接近，即使是微弱的杂散信号都可能干扰到量子比特的读取信号。SHFQC 的超外差技术为，用于量子比特频分复用读取的，谐振腔的频率设计争取了更大的灵活性。另外，线性放大链路可以驱动单个或多个量子比特门，时间间隙小，无失真。SHFQC 集成的变频技术可以确保量子比特测控以最高的保真度进行，实现量子处理器最高性能。 

高效的工作流程和资源管理

SHFQC 的控制和读取通道支持用最少量的波形产生最复杂的信号序列。用户可以用描述波形参数的形式来定义需要的信号，以最节省波形存储空间的方式对 SHFQC 的信号发生器进行编程。对于具有多个量子比特的系统，需要多台 SHFQC 时，这样的方式可以确保复杂的调谐和校准步骤仅需最低的仪器通信时间即可完成。比如，支持循环和动态跳转可以在 300 ns 内实现量子比特主动重置，也可以实现更加复杂的量子纠错算法。实时的相位和频率调控能力使 Z 门操控成为可能。 每个通道具有 100k 波形点的存储空间，定序器支持 16k 个指令，采样率 2 GSa/s。SHFQC 支持可自定义的多通道 AWG 信号，实现量子比特的精准测控。

快速高保真读取

SHFQC 可以用脉冲信号来表征待测器件的幅度和相位传输特性。可用两个方法来最大化信噪比：脉冲整形和匹配滤波。脉冲整形基于任意读取信号发生器，可以最小化上升沿和下降沿的振荡，即使器件本身响应很慢。

待测器件的阶跃响应可以通过 SHFQC 的数字滤波器的阶跃响应来匹配，每个滤波器可编程一个 4 kSa 长（2 us 长）的积分权重函数。与简单的未加权积分相比，使用匹配适当的滤波器可显着提高 SNR。此外对于每个 qubit，实时分析链路可以鉴别多达 4 个状态。

可扩展的系统方案

SHFQC 的设计可以操控 6 个频率固定的 qubits/qutrits 或 5 个 ququads。如果要更好地支持其他类型的量子比特或集成到大型的量子系统，SHFQC 也可以很方便地与其他仪器互联。比如，32位宽的 DIO VHDCI 接口延时很低，支持多量子比特态并行前馈到几台 HDAWG，实现快速量子比特重置或实时的 flux-pulse 控制。 

对于量子比特数量稍多的系统，几台SHFQC，SHFSG，SHFQA 和 HDAWG 可以组合起来，构成可扩展的 Quantum Computing Control System (QCCS) 量子测控系统。这种情况下，要用到我们研发的 ZSync 接口和 PQSC 可编程量子系统控制器把 SHFQC 与其他设备进行互联。LabOne QCCS 控制软件优化了仪器间的通信，简化了协议执行。

PQSC 最多可以同步 18 台仪器。这意味着调度所有 SHFSG 和 SHFQA可以测控多达 128 个量子比特。如果仅用 SHFQC 的话，还可进行超快反馈算法，最多测控 108 个量子比特。 同步系统中所有设备的 PQSC 可以通过 LabOne QCCS 软件或者 Python APIs 来编程控制。这样用户就可以按照需要来决定如何将它们集成到新的或已有的系统中。