量子计算

Photo credit: Christoph Boehme, Dane R. McCamey, Science Magazine

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«Developing Scalable Quantum Devices using AlazarTech Digitizers»
by Dr. M. Schulman, Dr. O. Dial, Dr. H. Bluhm, and Dr. A. Yacoby
Harvard University

背景

构建实用化、可称量的量子计算机的可能性已经引起多个物理领域的注意。其中大部分研究都专注量子计算机的基本单元-量子比特上。

量子比特可以类比于经典比特，但是又与经典比特不同，它的态可以处在不同量子态的叠加上，理论上，人们可以利用这种态叠加原理，进行传统计算机难以进行的特定运算。

因为一个量子比特可以是多个状态的叠加，所以它可以并行地进行多种不同操作。因此许多研究者正在探索不同实现量子比特的方法，包括超导量子比特，光量子比特和自旋量子比特。

技术

砷化镓自旋量子比特是实现固态量子计算机的一个具有吸引力的平台，主要是其与先进的半导体工艺兼容，具有良好的扩展性。到目前为止，人们已经深入研究了其单量子比特的操作，并且正在进行多量子比特操作的实验。

哈佛大学的两个研究小组正在进行一项努力，他们将来自世界各地顶尖大学的顶尖研究人员召集到一起，想通过构建多量子比特器件来证明通过半导体量子位来实现可度量量子计算的可能性。

随着半导体量子比特的快速发展和量子比特数量的快速增长，该项目需要快速开发世界级的测试和测量装置，并具有足够的灵活性来探索不同的操作半导体量子比特的方法。射频和微波测量领域的行业领导者能够快速地满足这些需求，是该项工作取得成功的关键。

Adapted from Laird et al., PRB 82, 075403 (2010)

上图显示了典型的实验设置。 每对电子（由红点表示）代表一个量子比特，其状态可以通过测量通过电荷传感器的电流来确定（黑色箭头）。 使用具有约10MHz带宽的微波反射测量技术在约200MHz下测量该电流。

被解调的信号被输入到AlazarTech模数转换器。它的两个输入通道都读取一个量子比特，它的信号通过频率复用来区分。量子比特的控制脉冲(未显示)与数据采集使用同一个触发器和10MHz的时钟来进行同步。

ALAZARTECH的优势

自旋量子比特研究的独特之处在于，一个“实验”大约需要1微秒，而且必须重复多次。每个“实验”包括两个阶段:一个操作阶段，对量子比特进行一些试验操作;一个读出阶段，打开检测器，将测量结果作为模拟电压读出

为了减轻低频噪声的影响，实验通常是交错进行的，在一个通常持续大约一毫秒的序列中，每次都执行一序列不同的操作和读出，然后重复该序列数百次以获得统计信息。目前传感器的带宽通常为20 MHz。

出于校准目的，在几百纳秒的读出窗口期间存储完整的时间轨迹数据有时是有价值的。但更典型的是获取几个传感器电压在从几纳秒到几微秒的重叠窗口上的平均值。

在"单发测量"的模式中，电压平均值是每次实验的平均。而在均值采集模式中，单次实验的电压将需与所重复实验中不同通道中相关的电压数据再进行平均。

由于这些测量的探索性，采集模式的细节变化迅速而显著。需要将各种各样的测量混合在一起:时域跟踪、类似于boxcar均衡器的周期性单次测量，但在时间和多个通道之间交叉，并实时计算多个通道之间的相关系数的复杂方式。

在一些情况下，需要立即分析测量信号，并以最小的延迟将结果反馈回实验。 所有这些测量都需要尽可能零停滞时间完成。

AlazarTech数据采集卡提供了理想的解决方案

单卡可以执行所有这些测量，并且由于分析由主机上的CPU处理，因此我们的实时数据分析能力具有很好的灵活性，以及在MATLAB中使用AlazarTech DAQ卡快速建立新实验原型的能力。 由于数据通过高速PCI-express总线实时流式传输，因此延迟和停滞时间最小，同时仍为此协作中更多量子器件提供充足的测量带宽。

最后，由于DAQ卡可以与实验中所有设备实现通过共享外部时钟来同步，包括射频开关和用于生成控制信号的任意波形发生器，因此可以通过触发和同步信号不间断地进行长时间的实验。