高速数据采集卡与AWG任意波形发生器在量子计算中的应用现状

量子计算的现状与发展

自21世纪初以来，量子科学，特别是量子信息科学这个领域，研究活动正在迅速增加。这一研究领域有望取得巨大的技术进步，这可能对我们未来计算和通信得运营方式产生深远影响。科学家们正在通过利用量子力学的原理，研究量子位的行为，因为量子位的信息受到不同的物理条件的影响。任意波形发生器（AWG）和数字化仪之类的仪器在研究过程中起着至关重要的作用。 AWG能够产生几乎无限范围的波形，这些波形可用于产生无线电波范围内的电磁信号，进而刺激或共振所研究的材料。数字化仪能够捕获并快速分析和显示量子位行为的结果信号。

由坤驰科技代理的德国Spectrum仪器的AWG提供多通道波形生成，输出速率高达1.25 GS / s，16位分辨率。多通道设计可以扩展系统，同时研究多个量子位，而快速输出的速率可以轻松生成频率高达400 MHz的复杂信号。对于需要更高频率的应用，信号也可以通过上变频器，将频率范围扩展到几十GHz。

AWG具有极高的分辨率和同步输出能力，非常适合产生所需的激励信号。它们还包括反复产生波形和多种触发模式等功能，可以输出几乎无限种类的波形。AWG可以快速重新配置，完全可编程，甚至由于其大容量板载存储器，可以在加载新的激励信号时输出波形序列！

AWG在创建研究量子位所必需的波形方面起着至关重要的作用，除此之外，数字化仪在确定量子位的各种测试条件下的反应方面也起着关键作用。频谱仪表提供多种多通道数字转换器，采样率高达5 GS / s，带宽超过1.5 GHz，垂直分辨率为8至16位。为了扩展数字转换器可以覆盖的有用信号频率范围，它们还可以与现成的下变频器技术一起使用。此外，频谱数字转换器针对动态性能进行了优化，确保以高SNR和低噪声采集信号。这些单元配备完全可编程的前端放大器，可与特别选择的低噪声外部放大器配合使用，从而可以采集和分析低至μV的低电平信号。

Spectrum产品及功能

·采样率高达5 GS / s且带宽超过1.5 GHz的数字化仪

·波形产生速率高达1.25 GS / s的AWG

·8,14和16位分辨率

·使用分段存储器和FIFO读出/重放进行超快速触发

·以高达3 GB / s的速度向RAID磁盘阵列传输数据

·基于FPGA的平均和峰值检测固件

匹配产品系列

·M4i.66xx：16位625 MS / s至1.25 GS / s AWG

·M4i.22xx：8位1.25 GS / s至5 GS / s 数字转换器

·M4i.44xx：16位250 MS / s至14位500 MS / s 数字转换器

用于量子研究的AWG

精确度在研究中始终是最重要的，并且很少有研究领域需要比量子研究更高的精度。奥地利因斯布鲁克大学的量子光学和量子信息研究所选用了一个任意波形发生器（AWG）来为他们的研究生成各种各样的信号。

用于斯图加特大学原子实验的AWG

斯图加特大学选择了光谱任意波形发生器进行实验，其中钻石中的单个原子被氮原子取代。该方法是原子级磁场检测器或量子计算机中的量子位等应用的基础。

在荷兰代尔夫特理工大学的QuTech和Kavli纳米科学研究所，他们使用M4i.44xx系列数字化仪测试硅中的可编程双量子位量子处理器

精确度在研究中始终是重要的，并且很少有研究领域需要比量子研究更高的精度。奥地利因斯布鲁克大学的量子光学和量子信息研究所选用了一个任意波形发生器（AWG）来为他们的研究生成各种各样的信号。

无线电频率研究

第一个应用是在射频方案中应用多频信号。使用正弦函数实现每个频率分量。产生的差拍信号用于同时寻址捕获离子量子模拟器中的各个离子。离子阱如图1所示。

该研究所的研究员Christine Maier解释说：“我们正在使用被捕获的冷却钙离子进行量子模拟，单离子可寻址性至关重要。为此，我们通过声光偏转器（AOD）发射激光束。射频信号的频率（应用于该AOD晶体）定义激光束的偏转角，并由此决定我们的线性离子束（图2）的哪个离子被寻址。 AWG现在允许我们产生多频信号，即使每个信号都具有任意幅度，这意味着我们现在可以同时处理离子串中的多个离子。这样做的一个优点是实验更快，因为我们不需要逐个循环地逐个寻址每个离子。

它也为我们开辟了一个全新的研究领域：到目前为止，我们能研究离子链中未受干扰的能量转移。然而，通过以任意强度处理单个离子意味着我们现在可以创建任意势垒并研究无序量子系统中的能量传输。 AWG甚至允许我们编程时改变电位来研究动态无序现象。“

破坏性干涉

第二种应用是通过破坏性干扰消除不想要的频率混合项，例如，当将多频信号施加到声光调制器时。 “将射频信号应用于声光晶体是我们实验室的基本技术，”她补充道。 “当应用多频信号时，会出现几个和频和差频分量，最终映射到发送离子上的光信号上。这带来了两个问题。首先，你失去了实际需要的频率成分的功率，其次，混合项可能会达到离子链的某些共振频率，并破坏你想要模拟的量子模型。使用AWG使我们能够通过实时测量和反馈回路中的破坏性干扰来消除这些不需要的项。

由于应用的多样性，使用可在PC上编程的AWG非常重要，因为可以根据每次使用，轻松定制输出。选择的Spectrum M4i.6631-x8，因为在PCI Express卡上，它可以直接与PC结合并由计算机直接驱动。

AWG M4i.6631-x8的使用

“这是高度可配置的一款产品，”Maier补充说。 “两个AWG通道，可选择的触发选项，外部时钟输入，多个和门控重放模式，循环功能，甚至可以通过逻辑门组合两个触发输入。这与高分辨率和1.25 GS / s的采样率相结合，使其成为我们现有项目的灵活性的合理选择，更重要的是，只需一台仪器就可以满足我们的研究需求。

Spectrum AWG可以以高达1.25 GS / s的速度从其4 GB内部存储器中反复加载波形。使用16位D到A转换，将数字信号转换为具有定义的偏移和幅度的模拟输出信号，以提供模拟现实世界中的精细信号细节。任何波形都可以从先前采集的波形重放到从DC到400 MHz的计算或模拟波形。它具有独特的FIFO流功能，使其能够同时生成数小时的任意波形，这与其他由于有限的板载内存而减少信号播放时间的AWG不同。这使得测试可以进行更长时间。