[论文解读] 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 7

一句话总结

QubiC 2.0 是一个基于 Xilinx ZCU216 RFSoC 平台的开源、基于 FPGA 的量子控制系统，支持超导量子比特的中间电路测量和实时前馈控制。它采用分布式多核 FPGA 架构，支持运行时脉冲参数更新，并通过 XML-RPC 与基于 Python 的软件栈集成，成功实现了桌面级的快速重置和条件位翻转电路演示，反馈延迟极低。

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.

研究动机与目标

• 为超导量子处理器日益增长的中间电路测量与前馈能力需求提供解决方案。
• 将 QubiC 1.0 系统升级，利用现代 RFSoC 技术以增强实时控制能力。
• 设计一种可扩展、可扩展且开源的控制系统，支持脉冲级与门级编程。
• 通过基于 FPGA 的逻辑实现低延迟反馈回路，用于量子比特重置与条件操作。
• 为未来大规模量子系统实现多 FPGA 同步。

提出的方法

• 该系统采用多核分布式 FPGA 架构，为每个量子比特分配一个处理器核心，用于实时命令处理。
• 脉冲包络预先存储在块 RAM 中，而幅度、相位和频率则通过命令信号逐脉冲更新。
• 可移植的 FPGA 门硬件层支持参数化脉冲生成，无需重新编译或波形重新传输。
• 软件栈基于 PYNQ 平台使用 Python 实现，主机与 FPGA 的 ARM 核之间通过 XML-RPC 进行通信。
• 高级量子电路被编译为二进制命令并加载到 FPGA 中执行。
• 快速重置与条件操作通过 FPGA 逻辑直接实现，利用单次测量与反馈回路。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于开源 FPGA 的控制系统能否在超导量子比特中支持中间电路测量与实时前馈？
• RQ2 如何通过 FPGA 内部逻辑实现量子比特重置的低延迟反馈？
• RQ3 何种架构设计能够实现在量子控制系统中可扩展、可扩展且可移植的脉冲生成？
• RQ4 如何为未来大规模量子系统实现多 FPGA 同步？
• RQ5 高级量子程序能否在资源受限的 FPGA 控制系统上高效编译与执行？

主要发现

• QubiC 2.0 通过在两个量子比特上实现条件位翻转电路，成功演示了中间电路测量与实时前馈。
• 系统通过分类量子比特状态并根据测量结果应用校正的 X90 门，实现了极低延迟的快速重置协议。
• 桌面测试证实，利用 ZCU216 平台与 zSFP+ 互连，多 FPGA 同步稳定可靠。
• 快速重置协议显著缩短了实验运行时间，同时保持了量子相干性与测量精度。
• 条件位翻转实验显示，最终测量中 |00⟩ 与 |11⟩ 态的占据概率显著占优，证实了条件操作的正确性。
• 系统通过将高级语言编译为 FPGA 二进制命令，同时支持脉冲级与原生门级编程。