Quantum Instrumentation Control Kit (QICK)
Latenzarme Plattform zur Steuerung von Qubit-Systemen
Das Quantum Instrumentation Control Kit (QICK) ist ein umfassendes Steuerungs- und Auslesesystem für die Quanteninformationswissenschaft – einschließlich Quantencomputing, Quantennetzwerke und Quantensensoren. QICK ist für die Erzeugung, Erfassung und Verarbeitung schneller Signale in Quantenexperimenten konzipiert.
Aufbauend auf der RFSoC-Technologie schließt QICK die Lücke zwischen komplexer Quantenhardware und schneller digitaler Steuerung und ermöglicht so die nächste Generation skalierbarer Quantenexperimente.
Was ist QICK?
QICK ist eine Open-Source-Steuerungsplattform auf FPGA-Basis für skalierbare Quantensysteme. Sie vereint DACs, ADCs und das FPGA-Fabric in einem Einzelchip.
Wofür wird QICK verwendet?
QICK wird eingesetzt für die Steuerung von supraleitenden Quantensystemen, gefangenen Ionen, Spin-Qubits und Kaltatom-Qubits (AMO), für die Durchführung von Quantenfehlerkorrektur und Rückkopplung, für die Hochgeschwindigkeits-Datenerfassung bei der Qubit-Auslese sowie für die Skalierung von der Einzel-Qubit-Steuerung hin zu Mehrkanalsystemen. Darüber hinaus wird QICK für die Zeitstempelung bei der simultanen Detektorauslese unter Nutzung der Digitalisierungsfunktion von QICK eingesetzt und erreicht eine interne Systemsynchronisation mit Pikosekunden-Genauigkeit.
Warum ist das notwendig?
Zur Steuerung supraleitender Qubits müssen Signale Frequenzsprünge durchführen – unter Beibehaltung der Phasenkohärenz und unter Einhaltung sehr präziser Zeitvorgaben. In ähnlicher Weise muss die gesamte Steuerpuls-Sequenz deutlich schneller sein als die Kohärenzzeit eines beliebigen Qubits im System (typischerweise Mikrosekunden), und die Latenz zwischen zwei beliebigen Pulsen muss steuerbar sein (häufig wird eine Latenz von Null gefordert).
White-Rabbit-Zeitprotokoll für ultra-schnelles Quanten-Netzwerken
Da Quanten-Netzwerke und Quantenexperimente die Photonenbewegung und Photonenkohärenzzeiten mit höchster Präzision messen müssen, benötigen Forscher ultra-genaue Zeitsynchronisationsprotokolle, um die anspruchsvollen Anforderungen zu erfüllen.
Safran hat die White-Rabbit(WR)-Sub-Nanosekunden-Zeitsynchronisationstechnologie in QICK integriert. Dies ermöglicht eine schnelle Kommunikation zwischen den Platinen über Time-Sensitive Networking (TSN) sowie die Synchronisation von Quantennetzwerkknoten.
QICK – Modulares System
RFSoc ZCU216 mit modularem analogem Front-End (RF-Main) und bis zu 8 Tochterplatinen (bis zu 4x IN und 4x OUT): RF, DC oder Balun (IN/OUT)
QICK-Tochterplatinen
HF-Ausgang (x8)
- Aufwärtskonvertierung für den Betrieb im Bereich 100 MHz – 12 GHz (optimal 3–8 GHz)
- Dynamikbereich: 4 bis -56 dBm
- Benutzerprogrammierbare Verstärkung und Filterung über eine Software
Gleichstromausgang (x8)
- Steuerung schneller unmodulierter Signale (z. B. Fluss-Pulse)
- Erzeugung massebezogener analoger Signale innerhalb eines Bereichs von +2,5 V
- Betrieb bis zu 1,5 GHz
HF-Eingang (x4)
- Verstärkung rauscharmer HF-Signale
- Betrieb im Bereich 50 MHz – 9 GHz (mehrere Auslesevorgänge mit Frequenzmultiplex)
- Dynamikbereich: -60 bis -90 dBm
- Benutzerprogrammierbare Verstärkung und Filterung über eine Software
Gleichstrom-Eingang (x4)
- Verwendbar als digitales Oszilloskop / Spektrumanalysator
- Betrieb bis zu 1,5 GHz
- Wandelt das massebezogene Eingangssignal in ein differentielles Signal um
- Benutzerprogrammierbare Verstärkung und Filterung über eine Software
Balun-Eingang (x2) / Balun-Ausgang (x4)
- Verwendbar als digitales Oszilloskop / Spektrumanalysator
- Direkte Signalerfassung und -erzeugung
- Passiver Signalpfad ohne Verstärkung oder aktive Filterung
- Betrieb bis zu 9 GHz
Ressourcen
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EIGENSCHAFTEN
- Software-programmierbare HF-Leistungssteuerung
- HF-Ein- und Ausgang
- Signalerzeugung
- Pulssequenzierung
- Vollständig programmierbare Steuerung und Rückkopplung
- 8 GB DDR-Arbeitsspeicher
- Trigger und Synchronisation
- Integration von Drittanbieter-Software
- Multiplex-Auslese
TECHNISCHE DATEN
- DAC-Ausgänge
- 16 Kanäle; HF-komplex-moduliert bis zu 10 GHz oder unmoduliert von 0 bis 1,5 GHz
- HF-Eingänge
- 8 Kanäle; Frequenzbereich 0,5 – 10 GHz
- Digitale Abwärtskonvertierung
- Bias-Ausgänge
- 8 Kanäle; ±10 V, basierend auf 20-Bit-DACs
- Äußerst rauscharm: 0,7 nV/√Hz
- E/A-Anschlüsse
- 6 TTL-E/A auf SMA
- 8 TTL-E/A auf separatem Anschluss
- 8 LEDs zur Funktionsanzeige
