[논문 리뷰] QubiC 2.0: An Extensible Open-Source Qubit Control System Capable of Mid-Circuit Measurement and Feed-Forward

Yilun Xu, Gang Huang외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 19.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 7

한 줄 요약

QubiC 2.0은 초전도 큐비트를 위한 중회로 측정과 실시간 피드포워드 제어를 가능하게 하는 오픈소스, FPGA 기반의 양자 제어 시스템으로, Xilinx ZCU216 RFSoC 플랫폼에 기반한다. 분산형 다중 코어 FPGA 아키텍처를 사용하며, 실시간으로 펄스 파rameter를 업데이트하고 XML-RPC를 통한 파이썬 기반 소프트웨어 스택을 제공하여, 낮은 지연 시간의 피드백을 달성한다. 이로 인해 빠른 리셋과 조건부 비트 플립 회로의 데스크탑 시범 구현에 성공하였다.

ABSTRACT

Researchers manipulate and measure quantum processing units via the classical electronics control system. We developed an open-source FPGA-based quantum bit control system called QubiC for superconducting qubits. After a few years of qubit calibration and testing experience on QubiC 1.0, we recognized the need for mid-circuit measurements and feed-forward capabilities to implement advanced quantum algorithms effectively. Moreover, following the development of RFSoC technology, we upgraded the system to QubiC 2.0 on an Xilinx ZCU216 evaluation board and developed all these enriched features. The system uses portable FPGA gateware with a simplified processor to handle commands on-the-fly. For design simplicity and straightforward scaling, we adopted a multi-core distributed architecture, assigning one processor core per qubit. The actual pulses combine the unique pulse envelope and carrier information specified in a command. Each pulse envelope is pre-stored on FPGA's block RAMs, ensuring the speed and reusability during the whole circuit. The pulse parameters including amplitude, phase, and frequency can be updated from pulse to pulse. The software stack is developed in Python, running on both the FPGA's ARM core and host computer via XML-RPC. The quantum circuit can be described in a high-level language, which supports programming at both pulse-level and native-gate level, and includes high-level control flow constructs. The QubiC software stack compiles these quantum programs into binary commands that can be loaded into the FPGA. With Qubic 2.0, we successfully achieved multi-FPGA synchronization in bench tests and demonstrated simplified feed-forward experiments on conditional circuits. The enhanced QubiC system represents a significant step forward in quantum computing, providing researchers with powerful tools to explore and implement advanced quantum algorithms and applications.

연구 동기 및 목표

• 초전도 양자 프로세서에서 중회로 측정과 피드포워드 기능에 대한 점점 증가하는 요구를 충족시키기 위해.
• 현대의 RFSoC 기술을 활용하여 QubiC 1.0 시스템을 업그레이드하여 향상된 실시간 제어 기능을 제공하기 위해.
• 펄스 수준과 게이트 수준 프로그래밍을 모두 지원하는 확장 가능하고 이식 가능하며 오픈소스인 제어 시스템을 설계하기 위해.
• FPGA 기반 논리로 구현된 단일 측정 및 피드백 루프를 통해 큐비트 리셋과 조건부 연산을 위한 낮은 지연 시간 피드백 루프를 구현하기 위해.
• 향후 대규모 양자 시스템을 위한 확장성을 확보하기 위해 다중 FPGA 동기화를 달성하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 다중 코어 분산형 FPGA 아키텍처를 사용하며, 각 큐비트당 하나의 프로세서 코어를 할당하여 실시간 명령 처리를 수행한다.
• 펄스 에너벨로는 블록 램에 사전 저장되며, 진폭, 위상, 주파수 값은 명령 신호를 통해 각 펄스마다 업데이트된다.
• 재컴파일이나 웨이브폼 재전송 없이도 파rameterized 펄스 생성이 가능한 이식 가능한 FPGA 게이트웨어 계층을 제공한다.
• 소프트웨어 스택은 PYNQ 플랫폼 기반 파이썬으로 구현되었으며, 호스트와 FPGA의 ARM 코어 간 통신은 XML-RPC를 사용한다.
• 고수준 양자 회로는 이진 명령어로 컴파일되어 FPGA에 로드되어 실행된다.
• 빠른 리셋과 조건부 연산은 단일 측정 및 피드백 루프를 사용하여 FPGA 논리에서 직접 구현된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 오픈소스 FPGA 기반 제어 시스템이 초전도 큐비트에서 중회로 측정과 실시간 피드포워드를 지원할 수 있는가?
• RQ2 FPGA 내부 논리로 구현된 리소스를 통해 큐비트 리셋을 위한 낮은 지연 시간 피드백을 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ3 어떤 아키텍처 설계가 양자 제어 시스템에서 확장 가능하고, 이식 가능하며, 이식 가능한 펄스 생성을 가능하게 하는가?
• RQ4 향후 대규모 양자 시스템을 위한 다중 FPGA 동기화는 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ5 자원 제약이 있는 FPGA 제어 시스템에서 고수준 양자 프로그램을 효율적으로 컴파일하고 실행할 수 있는가?

주요 결과

• QubiC 2.0은 두 큐비트에서 조건부 비트 플립 회로를 사용하여 중회로 측정과 실시간 피드포워드를 성공적으로 시범 구현하였다.
• 측정 결과에 기반해 큐비트 상태를 분류하고, 수정을 위한 X90 게이트를 적용함으로써 낮은 지연 시간으로 빠른 리셋 프로토콜을 달성하였다.
• ZCU216 플랫폼과 zSFP+ 인터커넥트를 사용한 벤치마크 테스트에서 다중 FPGA 동기화가 안정적으로 확인되었다.
• 빠른 리셋 프로토콜은 실험 실행 시간을 크게 단축시켰으며, 양자 얽힘과 측정 정확도를 유지하였다.
• 조건부 비트 플립 실험에서는 최종 측정에서 |00⟩ 및 |11⟩ 상태의 우세성이 확인되어 정상적인 조건부 동작이 이루어졌음을 입증하였다.
• 고수준 언어로 컴파일된 FPGA 이진 명령어를 통해 펄스 수준과 네이티브 게이트 수준 프로그래밍을 모두 지원한다.