Yeniden yapılandırılabilir Mantık ve Kuantum Kontrolü

Pratik kuantum bilgisayarlarının peşinde, araştırmacıların klasik elektronik yığınlarının neredeyse her katmanını yeniden ortaya çıkarmaya zorladılar. Bu meydan okumanın kalbinde kuantum hesaplama için nasıl tasarlandığı, koordinat ve kontrol edilen analog sinyalleri ölçmek için doğal olarak disiplinin talepleri ile tasarlanmıştır.

Kuantum işlemcileri analog alanda çalışır, işletim sistemi yükünün düşmesi ve geç kalmamış grafiklere aktarılması nedeniyle bu zamanlama kısıtlamaları yerine getiremezler.Bu pullar, nöral hata teslimatını imkansız hale getiren değişken erişim sağlar. FPGAs, donanım-işlemci ve yeniden programlanabilir mantık kumaşları ile, bu boşluğun tamamlanması ve bu boşluğun tamamlanması için değişkenliği düşük çözünürlükte düşük çözünürlükte olan değişken erişim sağlar.

FPGA'lar ve kuantum hesaplama arasındaki ilişki, son on yılda hızla derinleşti. Erken deneyler öncelikle rastgele dalgalama jeneratörleri olarak FPGA'lar olarak kullanıldı. Bugün, orkestrate naif sequencing, gerçek zamanlı geri bildirim, hata decoding ve klasik sistemlerle iletişim kurmak için daha merkezi hale gelecektir. FPGA rolü sadece mimariye daha merkezi hale gelecektir.

Alan-Programlanabilir Kapı Dizilerini Anlayın

Bir Alan-Programlanabilir kapı Dizisi, iç mantık yeniden yapılandırılabilir bir yapılandırma bitleri yüklemeden sonra yeniden yapılandırılabilir. Talimatların aksine, dijital sinyal işlemesi, FPGA'lar doğrudan donanımda, büyük ölçüde paralel bir işlem ve deterministic zamanlama ile çalışır.The Kumaşı yapılandırılabilir bir USB diskoparlama masalarından inşa edilmiş ve geri dönüşümlü olarak, USB devreleri ile birlikte çalışır.

ASIC'nin bir çok milyon dolarlık tasarım döngüsü ve bir işlevi değiştirmek için üretim ayları gerektirdiğinde, bir FPGA yeni bir bitek yüklemesiyle dakika içinde güncellenebilir. Bu çeviklik, FPGA'lar olağanüstü derecede iyi bir şekilde kuantum hesaplama gibi araştırma ortamları için uygundur, en iyi kontrol dizileri, hata düzeltme programları ve okuma algoritmaları hala rafine edilir, çünkü FPGA mantık doğal olarak paraleldir, tek bir tek kullanımlıktır.

Bir FPGA iç mimarisi, DSP dilimleri gibi yapılandırılabilir bir mantık blokları etrafında inşa edilir ve tek yönlü erişim sağlar. Yüksek hızlı ağlayıcıları destekleyen seri verileri 100 Gbps'yi aşabilir, DSP dilimleri gibi özel bloklar ve DAC'ler yüksek verimlilikle çalışırken, RAM bloklar tek yönlü erişimli bir şekilde doluplak depolama sağlar. Yüksek hızlı ağ geçidinde hızlanan yüksek çözünürlükte otomatik olarak kullanılabilir.

Modern FPGAs ayrıca, Arm Cortex çekirdeği gibi sertleştirilmiş işlemci alt sistemlerini entegre eder, bu da yazılımda Linux'u daha yüksek seviyeli orkestralar için bir araya getirir ve sistem entegrasyonunu basitleştirir.

FPGA'ların Kuantum Kontrol Sistemlerindeki Rolü

Tipik bir kuantum kontrol sistemi, gerçek zamanlı beyin olarak işlev görür, soyut kapı düzeyinde talimatları tam zamanlı olarak doğru bir şekilde doğrulayıcı bir şekilde gerçekleştirir.GbE, genellikle PCIe veya 10/25 GbE ile başlar ve sonra inşa edilmiş analog sinyallerin bir dizisini yapar.Bu kapılar rotasyonel dönüşüm mantığı veya yüksek çözünürlükte DAC'ler.

Bu dalga formlarının sıkı bir darbesi ve tek bir yeniden programlanabilir bir cihazda satın alınması, araştırmacıların tümünde yeni kapı planlarını ve hata-mession stratejileriyle tekrarlamalarına izin vermeden, süper transmons, silikon spin qubits veya kapalı iyonlar gerektirir, sadece dijital mantığı yeniden yapılandırarak.

Bir FPGA tabanlı kontrol sistemi genellikle üç ana işlevsel blok içerir: nabız dizisi, sinyal işleme ünitesi ve iletişim modülü.Sbür serisi, birden fazla FPGA tahtaları arasındaki zaman ayarlı listeler oluşturur.Bu bloklar bağımsız olarak ve sonra tek bir eş zamanlı sisteme entegre edilebilir ve ölçüm sinyallerin ortaya çıkmasına izin verir.

Nabul serisi özellikle dikkat çekiyor çünkü bir sonraki işlemin bir önceki ölçüm sonucunda ayarlanan sistem, FPGA kumaşı arasında atlatabilen devlet makinelerini kullanır ve her pullama seviyesindeki koşullu mantığı sağlar. Bu yetenek, sistemin aynı kanaldaki aranjlama kapı dizilerini uygulamasını sağlar.Bu aşama, tüm sadakat işlemleri sırasındaki sadakatin de sürekliliği kontrol etmek zorunda kalır.

Kuantum Arabileri için Mimari Avantajlar

FPGA'ları kuantum kontrol sistemlerinde kullanma kararı, qubit manipülasyonunun katı gereksinimlerine uygun birkaç mimari özellikten kaynaklanıyor.Bu özelliklerin her biri kuantum kontrol yığınında belirli bir meydan okumayı ele alır ve birlikte FPGA'lar, kanıt-konse aşamasının ötesinde ölçeklendirmek için tek pratik platform yaparlar.

Deterministic Low-Latency Execution

Konvansiyonel sunucu sınıfı CPUs, gerçek zamanlı kontrol kısıtlamalarıyla buluşmak için mücadele eder, çünkü işletim sistemi jitter, kesme işlemi ve hafıza gecikmeleri öngörülemeyen gecikmeler sunar. Grafik işleme birimleri, muazzam bir şekilde paralel olarak, uygun cevabı hesaplamak ve sabit bir süre içinde yeni bir dalgalama oluşturmak için optimize edilir. FPGAs, aksine, saat döngüsü ile işlem işlemleri yapmak için gerekli olan görevleri yerine, FPGA girişlerinde bir ölçümler için gerekli olan mikro geri bildirimde bulunacaktır.

Multi-Channel Operasyonları için Kitlesel Paralellik

Kontrol elektronikleri aynı anda birden fazla rakamla başlanmalıdır, çünkü her kanalın kendi özel mantığına sahip olmasını gerektirir. 100-qubit sistemi için, bu, 200 veya daha analog kanallara kadar, sürücü ve okuma kontrolü için, her bir fazda, ek devreler üzerinde daha fazla mantık kaynakları gerektirir.

İntrokyom ve Azaltıd Sistemi Kompleksi

Tek bir FPGA, ayrı ayrı bir çipin tamamını değiştirebiliyor. Bu entegrasyon, güçlendiriciler, bellek kontrolörleri ve yüksek hızlı transceivers, FPGA'nın aksi takdirde birden fazla ayrı çip gerektirdiği işlevleri pekiştirmesine izin veriyor. Bu entegrasyon, tahtayı ve elektromanyetik tabakaları tanıtabilecek bir bağlantı noktası.

Gerçek Zaman İşleme ve Aktif Qubit Stabilizasyon

FPGA'ların işledikleri en kritik görevlerden biri, birkaç yüz nanosaniye içinde ölçüm sonucu analiz edebilir ve bir sıfır pul düzeltmesi gerekir ve tüm durumu tek bir qubit koherence penceresinde görülebilir.Bu yetenek, bir sonraki operasyondan önce bilinen bir zemin durumuna göre, bir FPGA, ölçüm sonucu birkaç yüz nanosaniye içinde analiz edebilir ve tek bir sıfır pul pul pul pulu düzeltebilir.

Bireysel qubit reset'in ötesinde, FPGA'lar, iletişimin bir ev sahibi CPU'ya kesintiye uğraması yerine, daha önce ulaşılamayan zaman ölçeklerinde küçük bir düzeltmeler uygulayabilirler.Bu kalibrasyon döngüleri normal işlem sırasında arka planda çalıştırılabilir, iletişim döngüsündeki değişiklikleri bir araya getirmek yerine, kuantumlama olmadan en iyi geçitleri ortadan kaldırmak için ayarlamaları sağlar.

Yüzey kodu hatası düzeltmesinde, her veri kümesi defalarca ölçülmelidir ve hataları tespit etmek için işlenmiş sonuçlar gerekir. Bu, en büyük hata konumlarını tanımlayan bir sendrom çıkarma adımı gerektirir. FPGA'lar, en düşük mükemmel eşleştirme algoritması veya sendika-bulutları doğrudan donanımda kanıtlanmış, birkaç mikrosaniyenin latını kullanarak elde edebilecekler.Bu, kuantum hafıza süresini sınırlı; çünkü FPGA-bazlar koherens kaybetmeden önce bitirmek gerekir.

FPGAs, kanalları ayrı bir şekilde kullanarak, her bir ADC kanalının sinyalleri birden fazla kanaldan yakaladığı ve büyük ölçekli sistemler için gerekli olan sayısal sinyal işleme ile dijital alt-kontasyonları gerçekleştiriyor, sonra her bir qubitin durumunu paralel olarak çıkarmak için eşleştirilmiş filtreler uyguluyor.Bu teknik, büyük ölçekli sistemler için gerekli olan analog kabloların sayısını dramatik bir şekilde azaltır.

Özel Yüksek Hız İletişim Protokolü

Ethernet ve PCIe gibi yüksek hacimli bir veri bağlantıları, birçok kuantum laboratuvarı, kanal yoğunluğunu en aza indirmek için belirli seri protokolleri geliştirir. FPGAs burada mükemmel çünkü mühendislere tam olarak ihtiyaç duyulan bağlantı katmanı ve framing yapısını tasarlamalarına izin verir, hafif 64b/66b encoded akış veya bir determinist zaman-division-multiplexed otobüsler her bir zaman sabit zaman ölçeklenir.

FPGAs ayrıca birden fazla satıcı cihazın entegrasyonunu basitleştirir. Tek bir Xilinx Zynq UltraScale+ veya Intel Çevik cihazı, çeşitli arayüzleri bir platforma konsolide etmek için farklı arabirimler oluşturabilir ve JESD204B/C arayüzünü kullanarak, standart bir Ethernet veya InfiniBand rehaul host sistemine geri dönebilirsiniz, tüm kanallarda senkronizasyonu sürdürürken. Bu, farklı arayüzleri bir platforma konsolide etmek için sistem karmaşıklığını, taksitlemeyi ve bir test noktasının sayısını azaltır.

Bir başka önemli iletişim meydan okuması, birçok kontrol kanalının alt-picosan jitter ile ortak bir saat dağıtılır. FPGA'lar, tüm saatlerini referans kaynağına kilitleyen faz ayarlamalarını sağlayarak saat uyumlu olarak hareket edebilir. White Rabbit, başlangıçta çok sayıda tahtada dağıtım için gelişmiştir, White Rabbit gibi sub-nanosaniyeli jitterler, birçok bilgisayar kontrol grubu için tüm kanalların tamamını sağlamak için çeşitli kontrol sistemlerini garanti altına almak için.

JESD204B ve JESD204C standartları özel bir söz hak ediyor çünkü birden çok dönüştürücü kanalda yüksek hızlı ADCs ve DACs için yüksek hızlı ADCs ve DACs için yüksek hız kontrol sistemleri için presiyonistleri sağlıyor. Bu standartlar, 10+ GSPS'de çalışan dönüştürücüler ile doğrudan geçiş yapan ve inşa edilen saat dağıtımını azaltıyor, tüm bunlar, paralel veri paralel veri otobüsleriyle ilişkili karmaşıklık sorunları için gerekli.

Mühendislik Zorlukları ve Davaları

Güçlü yönlerine rağmen, FPGA'lar kendi mühendislik engellerini, kuantum arayüzlere uygulanan zaman tanıtıyor. İlki güç dağılımı: modern FPGA, on dört watt tüketebilir ve kontrol elektroniklerini ağlayan bir ortamda tutmanız gerekir.Oda sıcaklığında bile ısı dağılımı, hassas analog devreleri etkileyen ısı değiştiricileri önlemek için yönetilmelidir.

Gürültü darbesi başka bir endişedir. FPGA içindeki dijital geçiş etkinliği, bu etkileri azaltmak için çok yönlü ölçüm tekniklerine enjekte edebilir ve yüksek hızlı ADCs ve DACs ile arayüze sızdıran ve sinyal-to-gösterme işlemlerinin yüksek oranda azaltılmasına yardımcı olur.

Saat dağıtım sorunları da yüzlerce kanala ölçeklendiğinde ortaya çıkıyor. Saat ağacındaki faz gürültüsü doğrudan ısı geçişi hataları için tercüme eder. FPGAs, uzun süreli stabilite süresine kadar işlem sırasında tekrarlanabilir.

Multi-gigabit veri oranlarındaki sinyal bütünlüğü başka bir mühendislik meydan okumasını sunar. FPGA'yı yüksek hızlı ADC'lere ve DAC'lere bağlayan izler standart FR4'ten daha pahalı ve uzun süredir uyumlu hale gelir, ancak sinyal kalitesindeki iyileşme, yüksek frekanslı uygulamalar için gerekli olan düşük dielektrik kaybıyla ilgili olarak önemlidir.

Trendler: Ağo-FPGAs ve Heterojen Entegrasyon

En heyecan verici sınırlardan biri, FPGA ve qubits arasındaki analog sinyal yolunuzu dramatik bir şekilde azaltın, indirgenme, termal gürültüyü ve kağıt ayel kabloların sıcaklıklarını azaltın.0)

Standart FPGA'lar 4 K'e serinlendiğinde, transistör özellikleri değişir. Threshold gerilimleri arttı ve taşıyıcı hareketliliği değişiklikleri, zamanlama modellerini yeniden değerlendirebilmeleri için zamanlama analizleri yapmak zorunda kalır.Geçmişte ultrasonografide seçilen cihazlar için hesaplamalar dikkate alınmalıdır ve mühendisler FPGA'ların optik ağlarında yapılan çalışmaları bırakmalı, birkaç laboratuarlar güvenilir bir şekilde FPGA'ları kontrol etmek için güvenli bir şekilde kullanabilir ve FPGA satıcıları için seçilen cihazlara başlayabilirler.

Başka bir yükselen trend, FPGA'nın öldüğü 3D heterojen entegrasyon kullanımı hafıza, analog ön uç cips ve hatta kuantum işlemciler ile aynı pakette aynı pakette aktif bir kuantum kontrol sistemi oluşturabilir ve yoğun bir şekilde paketleme sağlar. Xilinx ve Intel gibi şirketler zaten multi-die FPGA paketlerini gösterdi ve kriyojenik varyantajlar altında aktif bir araştırma altında olabilir.

Silikon fotonikleri, ultra-düşüklü ve yüksek bantlı FPGA'lar ile optik transceivers ile birlikte, gelecekteki kuantum sistemleri klasik kontrol verilerini ve hatta kuantum sinyalleri aşırı derecedency ve yüksek bant genişliği ile değiştirebilir.Bu yaklaşım, ağostat'a giren elektrik kablolarının sayısını azaltacaktır ve uzak kuantum işlemciler arasında sıkılaştırmayı sağlayacaktır. Birkaç araştırma grubu zaten kanıtlayan mikrodalga kontrol sinyallerin fiber optik teslimatını kanıtlayabilir ve bu optik bağlantıların entegrasyonunu kontrol eder.

Gerçek Dünya Uygulama ve Vaka Çalışmaları

Büyük kuantum bilişim girişimleri zaten kontrol yığınlarının kalbinde FPGA'lara güveniyor.ETHFLT:0)Rigetti Computing), FPGA'ları en düşük seviyede yönetmeye yönelik özel bir FPGA tabanlı kontrol mimarisi kullanıyor, sistem mimarisi ile hızla sabitleme prosedürlerine destek vermek için tasarlanmıştır.

IBM'in Qiskit Pulse çerçevesi, altta yatan nabız seviyesindeki kontrolü ortaya çıkarır, birçok deneysel platformda doğrudan gerekli zamanlama çözünürlüğünü elde etmek için FPGA donanımında uygulanır. framework, araştırmacıların bireysel saat döngüleri seviyesindeki pullama donanımlarına izin verir ve derleme araçları bu pul konfigürasyon verilerini FPGA yapılandırma verilerine dönüştürür.

Akademide, TU Delft ve ETH Zürih'teki gruplar, özellikle de açık kaynaklı projeler olarak FPGA geliştirme panjurlarını, diğer laboratuvarları elmasta çoğaltmak ve sonuçları sıfırdan çıkarmadan genişletmek için tasarlar.

Açık kaynak topluluğu da, FPGA-P-Labs tarafından geliştirilen ve dünyadaki kurumlarda kullanılan çerçeveler üretti, yüksek seviyeli bir Python programlama ortamı sağlar.PyRPL) Sistemi, düşük seviyeli zamanlama ve seques kontrol gelişimini hızlandırıyor, araştırmacıların FPGA ayrıntılarına sahip olduğu yüksek seviyeli bir Python programlama ortamı sağlar.

Google'ın Sycamore işlemcisi, 2019'da kuantum üstünlüğü elde etti, FPGA tabanlı kontrol elektroniklerini yüksek sadakat kapıları için gerekli olan 53 bit rejime ölçeklendirebileceğini gösterdi. Sistem, anlamlı FPGA yönetim ağı üzerinden senkronize etti.

Daha yakın zamanda, Delft Teknoloji Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, hata süresi için gerekli olan 7qubit yüzey kodu için bir FPGA tabanlı bir kontrol sergilediler, kuantum hata düzeltmesi ile ilgili temel mühendislik endişelerinden birini ele alalım.

[FONT=0)IBM Kuantum[[DÜDÜT:1], FPGA- bazlı kontrol altyapısına FPGA-tavişmanlarının büyüyen filosu için yatırım yapmaya devam ediyor. Şirketin yol haritası, modüler, ölçeklenebilir kontrol elektroniklerini binlerce qubit ile destekleyebilen ve FPGA'lar bu mimariye ihtiyaç duyanlar için de merkezi.

Yol Ahead for FPGA-Based Quantum Control

FPGA'ların gelecek nesilleri, büyük olasılıkla AI motorlarını ve sertleştirilmiş matrisleri içeren bir dizi makine-öğrenme tabanlı kodlayıcıları çip üzerinde düzeltmeye olanak tanıyacaktır.Inglocks ve 2.5D paketlemenin rolü, FPGA kumaşı, hızlı anılar ve özel analog ön uçları, tek bir paket içinde tüm standartlaştırma organlarının ortak API'ler ve protokol tabakaları üzerinde çalışır. Standartlaştırma organlarının tümünde, tüm konsolideleri ve tüm yazılımları yeniden yapılandırmadan daha kolay bir şekilde değiştirecektir.

Alana özgü FPGA platformları kuantum kontrolü için geliştirme yarı iletken endüstri için önemli bir fırsat sunuyor. Sadece FPGA'lar, özel amaçlı DSP bloklar ve radyo-freze arayüzleri ile kablosuz iletişim kurma konusunda, gelecekte FPGA'ler özellikle kuantum kontrolü için tasarlanmış, sertleştirilmiş pul pul dizileri, özel bir hata kesinti motorları ve entegre bir sinyal nesil zincirleri için.Bu uygulama özellikle de yüksek performans ve daha düşük güç, daha düşük esneklik maliyetinden daha düşük.

FPGA üreticileri, kuantum donanım tasarımcıları ve krigen uzmanları önemli kalacaktır. Ortak yol haritaları düşük sıcaklık işlemi için karakterize olan cihazlar üretmek için gereklidir, gerekli verileri destekler ve FPGA işlemcileri ile kuantum işlemcilerin eşsiz sinyal sistemleri için yerel arayüzler içerecektir.

FPGA tabanlı kuantum kontrolü etrafında yazılım ekosistemi de hızla çoğalıyor.Polonya veya C++ kodu doğrudan FPGA mantığına sahip olan yüksek seviyeli sentez araçları, ortak kontrol görevleri yazması için donanım mühendislerine ihtiyaç duyuyor, tüm FPGA uzmanlığı olmadan yeni kontrol algoritmaları deneyebilmelerini sağlıyor.

programlanabilir mantık, hız, paralellik ve adaptasyon ile, FPGA'lar mevcut kuantum sistemleri nesli için vazgeçilmez hale geldi. Araştırmacıların klasik geri bildirim döngüsünü bastırması, yeni kontrol paradigmaları keşfetmesi ve her saat döngüsü ile sonuçları ölçeklendirmesi için kullandıkları deneylerin ölçeğini güçlendirdiler.