費米實驗室，普林斯頓大學(xué)，芝加哥大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)表了基于PYNQ RFSoC框架的開源量子位控制器-QICK （QuantumInstrumentation Control Kit），能夠支持直接合成最高6GHz載波頻率的控制脈沖。

QICK包含Xilinx的ZCU111評估板，定制化的固件和軟件和一個可選的定制化的模擬前端板。與現(xiàn)成的30W美金以上的多量子位讀取和控制設(shè)備相比，ZCU111和定制化射頻板的系統(tǒng)可以輕松將成本控制在3W美金以內(nèi)。與其低廉的成本形成鮮明對比的是其出色的性能，比如6GSPS的DAC輸出，3 GSPS的ADC采樣輸入，以及額外的運放、步進(jìn)衰減器、混頻器和本振等。

數(shù)字和模擬硬件

QICK是一個多輸入，多輸出，高性能的控制器，主要用于量子位系統(tǒng)和超導(dǎo)探測器。與傳統(tǒng)的控制器相比，其系統(tǒng)更加簡單，緊湊和低成本。QICK的硬件包含兩個部分，分別為Xilinx ZCU111 RFSoC評估板和射頻模擬前端板。

QICK充分發(fā)揮高集成度RFSoC FPGA優(yōu)勢。XCZU28DR芯片（圖2）集成8路6.5GS/s數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DACs）和8路4GS/s模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADCs）。DAC和ADC模塊均包含可配置的IQ數(shù)字上/下變頻，集成的數(shù)控振蕩器（NCO），增益矩陣和抽取/插值濾波器，能夠輕松地通過AXI接口集成到邏輯中。RFSoC同時集成多個不同的ARM處理器，可以運行不同的軟件比如Linux kernel以及PYNQ軟件庫等。

傳統(tǒng)的商用量子位控制器通常具有小于1GHz的模擬帶寬，所以RF量子位控制脈沖（典型4-6GHz）需要使用模擬混頻器來進(jìn)行上變頻。作為對比，XCZU28DR在第一奈奎斯特區(qū)間內(nèi)可以直接合成最高載頻為3GHz的控制脈沖，在第二奈奎斯特區(qū)間內(nèi)可以直接合成最高載頻為6GHz的控制脈沖。這消除了混頻器雜散，并且無需校準(zhǔn)IQ 混頻器偏移和增益。

射頻模擬前端板包含了超過200個器件，比如運放，混頻器，濾波器，本振，開關(guān)和驅(qū)動等。所有的射頻和直流耦合輸入輸出均通過SMA連接器。射頻板將RFSoC的8路DAC輸出擴(kuò)展到RF或者DC耦合的運放和濾波器，如圖3所示。每一個DAC輸出都連接到一個軟件可控的開關(guān)，允許用戶選擇RF輸出，或者DC耦合輸出。

8路QICK射頻輸入中的4路用于射頻信號，針對4-8GHz信號進(jìn)行了優(yōu)化，其余的4路用于直流耦合的輸入信號，帶寬為1.5GHz，如圖4所示。

系統(tǒng)架構(gòu)和功能

QICK系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖5所示。用戶使用QICK Python API（top level）運行量子比特實驗，這些實驗被發(fā)送到RFSoC（second level）并翻譯為FPGA級別的指令。RFSoC產(chǎn)生的信號會被QICK射頻板（third level）做進(jìn)一步處理，最后被發(fā)送到qubits（bottom level）。量子位測量接著會以相反的順序?qū)y量結(jié)果通過Python API返回給用戶。

QICK系統(tǒng)的功能被分為處理器系統(tǒng)（PS）和可編程邏輯（PL），如圖6所示。該UltraScale+器件的PS部分是帶DDR4的ZYNQ系統(tǒng)，在多核ARM處理器上運行Linux操作系統(tǒng)。PS使用PYNQ庫和驅(qū)動實現(xiàn)對PL的DMA訪問。用戶的接口是通過遠(yuǎn)程web瀏覽器訪問的Jupyter notebooks。PL端的固件主要包含信號產(chǎn)生模塊，讀取模塊以及timed-processor模塊，用于實現(xiàn)對時間要求高的功能。PS和PL之間的數(shù)據(jù)流是通過AXI接口實現(xiàn)的，其中快速的數(shù)據(jù)傳輸是通過PL端的DMA邏輯實現(xiàn)的。

性能表現(xiàn)

這里主要討論信號產(chǎn)生的RF性能，圖7展示了使用射頻板將IF信號混頻上變頻到RF信號的原理。由于數(shù)字產(chǎn)生的IF可以覆蓋3GHz帶寬，推薦將本振頻率設(shè)置在7.5GHz到8.5GHz。射頻板上的低通濾波器，可以對8GHz以上的信號實現(xiàn)30dB的衰減。當(dāng)本振在7.5GHz到8.5GHz，用戶可以將脈沖置于3GHz頻帶內(nèi)而不會產(chǎn)生諧波，并且具有足夠的本振泄露抑制。

圖8展示了混頻器上變頻頻譜的演示（沒有使用射頻板額外的低通濾波器）。這里，一個0.8GHz的IF信號被板子上8.478GHz的本振信號上變頻。混頻器的頻譜非常干凈，并且在IF，LO±IF和2*LO±IF處顯示了預(yù)期的邊帶雜散，同時在載波的10kHz偏移處測量到-95dBc/Hz的相位噪聲。

PYNQ框架助力QICK

PYNQ框架如何使QICK成為可能，再來看一個例子。QICK被用于控制和讀取一個用于暗物質(zhì)檢測的3D transmon qubit。讀取的脈沖由混頻器產(chǎn)生，并上變頻，如圖9所示。圖a和圖b展示了獲取的脈沖頻率和量子位頻譜的測量，圖c展示了qubitRabi oscillations，圖d展示了qubitT1（94us）和T2（122us）的測量，圖e插圖展示了量子位在基態(tài)和激發(fā)態(tài)時的單次數(shù)字化值。

直方圖采用雙峰高斯分布函數(shù)擬合，在沒有參數(shù)放大的情況下產(chǎn)生94.7% 的保真度，圖f展示了30個獨立隨機(jī)序列的RB平均，平均的門保真度為99.93%±0.01%，接近估計的相干限制門保真度99.96%。所有的計算繪圖顯示均在QICK的PYNQ框架下實現(xiàn)，通過QICK上運行的Jupyter notebook完成完整的數(shù)據(jù)采集和相應(yīng)的實驗。充分體現(xiàn)了PYNQ框架在數(shù)據(jù)分析等應(yīng)用中的巨大優(yōu)勢。

責(zé)任編輯：haq