定制化的科研仪器 - PYNQ&RFSoC助力量子计算

本文转载自:PYNQ开源社区微信公众号

费米实验室,普林斯顿大学,芝加哥大学等科研机构联合发表了基于PYNQ RFSoC框架的开源量子位控制器-QICK (QuantumInstrumentation Control Kit),能够支持直接合成最高6GHz载波频率的控制脉冲。

QICK包含Xilinx的ZCU111评估板,定制化的固件和软件和一个可选的定制化的模拟前端板。与现成的30W美金以上的多量子位读取和控制设备相比,ZCU111和定制化射频板的系统可以轻松将成本控制在3W美金以内。与其低廉的成本形成鲜明对比的是其出色的性能,比如6GSPS的DAC输出,3 GSPS的ADC采样输入,以及额外的运放、步进衰减器、混频器和本振等。


图1 量子仪器控制套件(QICK),QICK包含两部分硬件,商用ZCU111 RFSoC评估板(左)以及QICK射频板(右),QICK射频板可以用于额外的信号上下变频,放大和滤波。

数字和模拟硬件

QICK是一个多输入,多输出,高性能的控制器,主要用于量子位系统和超导探测器。与传统的控制器相比,其系统更加简单,紧凑和低成本。QICK的硬件包含两个部分,分别为Xilinx ZCU111 RFSoC评估板和射频模拟前端板。

QICK充分发挥高集成度RFSoC FPGA优势。XCZU28DR芯片(图2)集成8路6.5GS/s数模转换器(DACs)和8路4GS/s模数转换器(ADCs)。DAC和ADC模块均包含可配置的IQ数字上/下变频,集成的数控振荡器(NCO),增益矩阵和抽取/插值滤波器,能够轻松地通过AXI接口集成到逻辑中。RFSoC同时集成多个不同的ARM处理器,可以运行不同的软件比如Linux kernel以及PYNQ软件库等。

传统的商用量子位控制器通常具有小于1GHz的模拟带宽,所以RF量子位控制脉冲(典型4-6GHz)需要使用模拟混频器来进行上变频。作为对比,XCZU28DR在第一奈奎斯特区间内可以直接合成最高载频为3GHz的控制脉冲,在第二奈奎斯特区间内可以直接合成最高载频为6GHz的控制脉冲。这消除了混频器杂散,并且无需校准IQ 混频器偏移和增益。

图2 Xilinx XCZU28DR RFSoC芯片框图

射频模拟前端板包含了超过200个器件,比如运放,混频器,滤波器,本振,开关和驱动等。所有的射频和直流耦合输入输出均通过SMA连接器。射频板将RFSoC的8路DAC输出扩展到RF或者DC耦合的运放和滤波器,如图3所示。每一个DAC输出都连接到一个软件可控的开关,允许用户选择RF输出,或者DC耦合输出。

图3 QICK射频板DAC输出原理图

8路QICK射频输入中的4路用于射频信号,针对4-8GHz信号进行了优化,其余的4路用于直流耦合的输入信号,带宽为1.5GHz,如图4所示。

图4 QICK射频板ADC输入原理图

系统架构和功能

QICK系统的整体架构如图5所示。用户使用QICK Python API(top level)运行量子比特实验,这些实验被发送到RFSoC(second level)并翻译为FPGA级别的指令。RFSoC产生的信号会被QICK射频板(third level)做进一步处理,最后被发送到qubits(bottom level)。量子位测量接着会以相反的顺序将测量结果通过Python API返回给用户。

图5 The QICKstack-up

QICK系统的功能被分为处理器系统(PS)和可编程逻辑(PL),如图6所示。该UltraScale+器件的PS部分是带DDR4的ZYNQ系统,在多核ARM处理器上运行Linux操作系统。PS使用PYNQ库和驱动实现对PL的DMA访问。用户的接口是通过远程web浏览器访问的Jupyter notebooks。PL端的固件主要包含信号产生模块,读取模块以及timed-processor模块,用于实现对时间要求高的功能。PS和PL之间的数据流是通过AXI接口实现的,其中快速的数据传输是通过PL端的DMA逻辑实现的。

图6 QICK固件框图,主要包含timed-processor(tProcessor) 模块,信号产生(SG)模块和读取模块

性能表现

这里主要讨论信号产生的RF性能,图7展示了使用射频板将IF信号混频上变频到RF信号的原理。由于数字产生的IF可以覆盖3GHz带宽,推荐将本振频率设置在7.5GHz到8.5GHz。射频板上的低通滤波器,可以对8GHz以上的信号实现30dB的衰减。当本振在7.5GHz到8.5GHz,用户可以将脉冲置于3GHz频带内而不会产生谐波,并且具有足够的本振泄露抑制。

图7 QICK射频板上变频原理

图8展示了混频器上变频频谱的演示(没有使用射频板额外的低通滤波器)。这里,一个0.8GHz的IF信号被板子上8.478GHz的本振信号上变频。混频器的频谱非常干净,并且在IF,LO±IF和2*LO±IF处显示了预期的边带杂散,同时在载波的10kHz偏移处测量到-95dBc/Hz的相位噪声。

图8 QICK射频板混频器性能

PYNQ框架助力QICK

PYNQ框架如何使QICK成为可能,再来看一个例子。QICK被用于控制和读取一个用于暗物质检测的3D transmon qubit。读取的脉冲由混频器产生,并上变频,如图9所示。图a和图b展示了获取的脉冲频率和量子位频谱的测量,图c展示了qubitRabi oscillations,图d展示了qubitT1(94us)和T2(122us)的测量,图e插图展示了量子位在基态和激发态时的单次数字化值。直方图采用双峰高斯分布函数拟合,在没有参数放大的情况下产生94.7% 的保真度,图f展示了30个独立随机序列的RB平均,平均的门保真度为99.93%±0.01%,接近估计的相干限制门保真度99.96%。所有的计算绘图显示均在QICK的PYNQ框架下实现,通过QICK上运行的Jupyter notebook完成完整的数据采集和相应的实验。充分体现了PYNQ框架在数据分析等应用中的巨大优势。

图9 QICK用于表征transmon qubit

了解更多详细信息请点击访问项目Github:https://github.com/openquantumhardware/qick

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