[論文レビュー] QubiC 2.0: An Extensible Open-Source Qubit Control System Capable of Mid-Circuit Measurement and Feed-Forward

Yilun Xu, Gang Huang+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2023

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 7

ひとこと要約

QubiC 2.0 は、Xilinx ZCU216 RFSoC プラットフォームに基づいたオープンソースで FPGA ベースの量子制御システムであり、超伝導キュービットにおけるミッドサーキット測定とリアルタイムフィードフォワード制御を可能にする。分散型でマルチコアな FPGA アーキテクチャを採用し、実行時におけるパルスパラメータの更新が可能で、XML-RPC を介した Python ベースのソフトウェアスタックを備える。低遅延フィードバックを実現し、ベンチトップでの高速リセットおよび条件付きビットフラップ回路の実現に成功した。

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.

研究の動機と目的

• 超伝導量子プロセッサにおけるミッドサーキット測定およびフィードフォワード機能の増大するニーズに対応すること。
• QubiC 1.0 システムを最新の RFSoC 技術を活用してアップグレードし、より高度なリアルタイム制御を実現すること。
• パルスレベルおよびゲートレベルのプログラミングを両立できるスケーラブルで拡張可能かつオープンソースの制御システムを設計すること。
• FPGA ベースの論理回路を用いて、キュービットのリセットおよび条件付き演算のための低遅延フィードバックループを実現すること。
• 将来の大規模量子システムにおけるスケーラビリティを実現するためのマルチ-FPGA 同期を達成すること。

提案手法

• システムは、1キュービットあたり1つのプロセッサコアを割り当てたマルチコアで分散型の FPGA アーキテクチャを採用し、リアルタイムコマンド処理を実行する。
• パルスエンVELOープ はブロックRAMに事前に格納され、振幅、位相、周波数はコマンド信号によりパルスごとに更新される。
• 再コンパイルや波形の再送信が不要なパrameterizedパルス生成を実現するため、ポータブルな FPGA ゲートウェアレイヤーを導入した。
• ソフトウェアスタックは PYNQ プラットフォーム上で Python で実装され、ホストと FPGA の ARM コア間の通信には XML-RPC を使用する。
• 高レベルの量子回路はバイナリコマンドにコンパイルされ、FPGA にロードされて実行される。
• 高速リセットおよび条件付き演算は、シングルショット測定とフィードバックループを用いて、FPGA ロジック上で直接実装された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オープンソースの FPGA ベース制御システムは、超伝導キュービットにおけるミッドサーキット測定とリアルタイムフィードフォワードを実現できるか？
• RQ2 FPGA 上のロジックを用いて、キュービットのリセットに低遅延フィードバックを実現するにはどうすればよいか？
• RQ3 どのようなアーキテクチャ設計が、量子制御システムにおけるスケーラブルで拡張可能かつポータブルなパルス生成を可能にするか？
• RQ4 将来の大規模量子システムにおけるマルチ-FPGA 同期をどのように達成できるか？
• RQ5 リソース制限のある FPGA 制御システム上で、高レベルの量子プログラムを効率的にコンパイルおよび実行できるか？

主な発見

• QubiC 2.0 は、2キュービットの条件付きビットフラップ回路を用いて、ミッドサーキット測定とリアルタイムフィードフォワードを成功裏に実証した。
• システムは、キュービット状態を分類し、測定結果に基づいて補正用の X90 ゲートを適用することで、最小限の遅延で高速リセットプロトコルを達成した。
• ベンチテストでは、ZCU216 プラットフォームと zSFP+ インターフェースを用いたマルチ-FPGA 同期が安定して確認された。
• 高速リセットプロトコルにより、実験の実行時間が顕著に短縮されたが、量子コherenCe および測定精度は保持された。
• 条件付きビットフラップ実験では、最終測定において |00⟩ と |11⟩ の状態の支配的出現が確認され、正しい条件付き動作が裏付けられた。
• 高レベル言語から FPGA バイナリコマンドにコンパイルすることで、パルスレベルおよびネイティブゲートレベルのプログラミングの両方をサポートした。