Spectrum InstrumentationのAWGカードは、光ピンセットアレイ内の量子ビットとして原子を配置するために使用されます
量子コンピュータを構築するにはさまざまな方法がありますが、カイザースラウテルン大学の Rymax Oneプロジェクトとのコラボレーションにおけるアプローチは、量子ビットとして機能する単一原子の配列を作成することです。課題は、各原子を正確な位置に移動して保持することです。これは、各原子にレーザーを照射して原子をレーザービームの中心にトラップし、実質的に光ピンセットとして機能することで行われます。ただし、ビームの各移動をポイントごとにプログラミングするには、現在、多くのプログラミングと膨大な量のデータが必要です。これは、Spectrum Instrumentation社の新しいDirect Digital Synthesis(DDS)ファームウェアオプションの使用により大幅に削減され、時間のかかる大規模なデータ配列計算を行う代わりに、開始パラメータと停止パラメータを定義するいくつかの簡単なコマンドでレーザーの位置を制御できるようになりました。
物理学博士のジョナス・ウィッツェンラート氏は、「これは私たちの研究の進歩に大きな変化をもたらしています。新しいDDSオプションを使用することで、私たちは急速に進歩しシステムの複雑さを軽減して研究に集中できるようになりました。次のステップは、DDSファームウェアの動的機能を使用して、静的な2次元配列内の原子の並べ替えを行うことです。」と述べています。さらに、次の段階では、AWGを使用して理想的なUVレーザーパルスを形成し、量子ビット間の相互作用を正確に制御します。
「DDSは私たちのプロジェクトに欠かせないツールになりました。非常に柔軟性が高く、他の機能にも使用できるため、専用の機器を購入する必要がなく、ラボ内の他の用途にも使用できることがわかりました。たとえば、パルスレーザー、チャープ生成などです。私たちはSpectrum社と緊密に連携してこのDDS機能を開発し、現在は研究での使用の可能性を拡大して他のラボにも役立つように取り組んでいます。」
彼は、Spectrum製AWGカードが選ばれたのは、優れたアナログ性能と大容量メモリ、カードへの高速転送速度を併せ持つことから、量子研究に最適なソリューションになりつつあるためだと付け加えました。波形の並べ替えを計算しカードにアップロードされるまで実験を一時停止する必要があるため、転送速度は非常に重要です。Spectrum製AWGカードの転送速度は他社の製品と一線を画すものであり、それがAMO/QCコミュニティで広く使用されている主な理由です。カードの動作速度も非常に重要でした。高速AWGには、数十ミリ秒の遅延や大きなジッターという本質的な問題があり、システムが修正および再修正する際に不正確さや処理時間の延長につながります。DDSファームウェアにより、SpectrumのAWGは20マイクロ秒以内にコマンドを生成でき、固有のタイミングによりコマンドは実質的にジッター無しです。
実験の一例では、Spectrum Instrumentation製AWGカードM4i.6631-x8を使用して、原子を捕捉するピンセットを生成するAOD(音響光学偏向器)を駆動します。AODは、約82MHzの周波数のRF信号で駆動されます。現在の設定では、1MHzの変化で原子を含んだピンセットが100μs以内に約8μm移動します。S字型の周波数ランプを使用して加熱を最小限に抑えます。この間、信号の振幅は直線的に変化し光強度の変化を補正します。
DDSファームウェアオプション
DDSは、単一の固定周波数リファレンスクロックから任意の周期正弦波を生成する方法です。これは、さまざまな信号生成アプリケーションで広く使用されている手法です。Spectrum Instrumentationの新しいオプションを使用すると、ユーザーはAWGカードごとに23個のDDSコアを定義し、ハードウェア出力チャネルにルーティングできます。各DDSコア(正弦波)は、周波数、振幅、位相、周波数スロープ、振幅スロープに対してプログラム可能です。DDS出力は、外部トリガーイベントまたは6.4nsの分解能を持つプログラム可能なタイマーによって同期できます。
DDSモードでは、AWGはマルチトーンDDS信号のジェネレータとして機能します。ユニットに内蔵された4GByteのメモリと高速DMA転送モードにより、1秒あたり最大1,000万コマンドの速度でDDSコマンドをストリーミングできます。この独自の機能により、シンプルで使いやすいDDSコマンドを使用して、ユーザー定義のスロープ(S字型など)やさまざまな変調タイプ(FMやAMなど)を柔軟に実行できます。
Rymax Oneの量子コンピュータ設計
2021年より、Spectrum Instrumentationとカイザースラウテルン大学は、Rymax Oneコンソーシアムの一環として、BMBF(ドイツ連邦教育研究省)の資金提供プログラム「量子技術 – 基礎研究から市場へ」に参加しています。このコンソーシアムの目的は、量子オプティマイザーを構築することです。この目的のために、個々のイッテルビウム原子は、光ピンセットを使用して真空中にリュードベリ状態で浮遊します。Rymaxのコラボレーションは、最大独立集合問題などの量子最適化問題と、QAOAや量子アニーリングなどのアルゴリズムを使用してソリューションを見つけることに特に焦点を当てています。これにより、「アナログ」量子コンピューティング用に最適化されたハードウェアを構築できます。設計の重要な側面の1つは、(UV)レーザー光の動的制御です。これには、さまざまなRF信号を完全に制御する必要があります。ここで、Spectrum Instrumentationの長年の専門知識が役立ちます。
原文ドキュメント：Spectrum社
University Kaiserslautern fast tracks Quantum Computer development
University Kaiserslautern fast tracks Quantum Computer development.pdf
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Spectrum Instrumentation社について
Spectrum社は、Spectrum Systementwicklung Microelectronic GmbHとして1989年に設立され、2017年にSpectrum Instrumentation GmbHに改名されました。最も一般的な業界標準（PCIe、LXI、PXIe）で500を超えるデジタイザおよびジェネレータ製品を作成するモジュール設計のパイオニアです。これら高性能のPCベースのテスト&メジャーメントデザインは、電子信号の取得・生成および解析に使用されます。同社はドイツのGrosshansdorfに本社を置き、幅広い販売ネットワークを通じて世界中に製品を販売し、設計エンジニアによる優れたサポートを提供しています。 Spectrum社の詳細については、www.spectrum-instrumentation.comを参照してください。