超导量子调控系统软件架构的研究与实现

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经典计算机的发展因集成电路技术逐渐逼近物理极限而面临瓶颈,需要寻求新的计算模式代替经典计算机,量子计算是其中较有前景的模式之一。它能利用量子并行性和量子相干性实现计算,在一些特定问题的求解上具备远超经典计算机的计算能力。量子计算机的操作和使用原理与传统计算机不同,需要新的算法、软件、硬件和控制技术等。近年来,随着量子计算取得一系列突破性进展后,量子比特的数目有着大规模扩展的趋势。简单的脚本程序在应对复杂的量子芯片结构时逐渐变得难以维护,调控程序这块短板在整个量子比特实验的进行中越来越突出。本论文的主要工作是在实验室自主研发的量子计算机硬件系统基础上,研究并实现超导量子调控系统软件。由于整个系统具有复杂性、可扩展性和实验人员众多等特点,本文选用开源中间件“LabRAD”作为本调控系统软件的框架。并在LabRAD的框架基础上,对整体的软件进行了功能模块的设计,将该软件分为3个层次——用户层、实验层和设备层以及2套流程——校准流程和实验流程。其中,分别对软件中校准工作和实验工作的设计展开叙述。除此之外,本文实现了一系列的测量对软件的2套流程分别展开验证,含校准相关测量、实验标定测量和量子线路实例测量。通过AWG输出一致性校准验证可得,增益校准的误差均小于万分之三,偏置校准的误差均在10的负六次方,满足理论上可调整增益和偏置的精度。在校准后测得各通道电压-码值曲线基本重合,误差在10的负4次方,能够满足超导量子计算中AWG输出一致性要求。通过IQ混频器校准验证可得,本振泄露相比抑制前平均下降60d B,并在超导量子线路实验中验证了该方案的可行性。其次,对于实验的标定测量,是通过完成一套完整的量子比特标定流程,说明软件在用户层、实验层和设备层均满足功能需求,验证了超导量子调控系统软件整体流程的有效性。在进行了校准和标定之后,运行了一个三量子比特线路。运行结果与理论推导结果基本一致,能够成功地制备出高保真度的GHZ态线路,从而完整地验证了整套软件系统的可行性。
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