量子計(jì)算、5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計(jì)算等一同被認(rèn)為是引領(lǐng)未來(lái)的技術(shù)趨勢(shì)。其中量子調(diào)控與量子信息也被認(rèn)為是第二次量子信息的革命、是德科技基于強(qiáng)大的光電領(lǐng)域測(cè)試能力和專用的量子解決方案，近些年來(lái)在量子測(cè)試領(lǐng)域幫助了很多客戶解決相關(guān)測(cè)試問(wèn)題，是德科技獨(dú)特的解決方案能夠在量子研發(fā)總成本可控的情況下提升研究效率。是德科技基于可擴(kuò)展的模塊化架構(gòu)，使得量子研究解決方案具有高度的可擴(kuò)展性，全面的控制和測(cè)量能力。
近日，是德科技舉辦了網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)，是德科技應(yīng)用工程師倪勇橋先生和市場(chǎng)經(jīng)理杜吉偉先生分別從技術(shù)和市場(chǎng)方面詳細(xì)介紹是德科技專用量子計(jì)算解決方案詳情。
倪勇橋首先介紹了量子信息學(xué)的背景，其次介紹了是德科技在量子信息學(xué)方面的準(zhǔn)備，第三則是量子計(jì)算的專用測(cè)試方案的提出。
量子信息學(xué)及測(cè)試技術(shù)概況
倪勇橋表示，量子學(xué)并不是普及形科學(xué)，所以即便可以會(huì)改變未來(lái)很多事情，但由于大家的不理解，每個(gè)人對(duì)于量子學(xué)的看法都是不同的，所以可能會(huì)對(duì)量子學(xué)的理解不夠全面。但從是德的角度來(lái)看，量子學(xué)是一個(gè)真真實(shí)實(shí)的技術(shù)，真真實(shí)實(shí)會(huì)改變?nèi)祟悓?lái)的種種技術(shù)，包括通信，包括其他一些方面。現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)普遍提出了第二次量子信息革命，這其實(shí)包含了對(duì)于量子傳統(tǒng)的物理學(xué)，在信息學(xué)交叉學(xué)科中的應(yīng)用。對(duì)于量子信息學(xué)來(lái)說(shuō)，目前是包含了三個(gè)方向，第一個(gè)方向是無(wú)條件安全的量子通信，第二個(gè)是超快并行的量子計(jì)算，解決的是針對(duì)特定問(wèn)題的快速解決方案。第三個(gè)是超越經(jīng)典極限的精密測(cè)量。
倪勇橋介紹到，目前國(guó)內(nèi)針對(duì)量子信息相關(guān)學(xué)科行業(yè)的支持力度很大，除了傳統(tǒng)科研院所之外，包括阿里百度騰訊等都成立了相應(yīng)的量子技術(shù)研究院。
倪勇橋表示目前量子通訊分為兩個(gè)鏈路，第一個(gè)鏈路是量子信道，解決的是秘鑰傳輸和產(chǎn)生的問(wèn)題。密碼傳輸和產(chǎn)生的問(wèn)題。另外一個(gè)鏈路是公共的經(jīng)典電路，用來(lái)傳輸信息的。量子通信本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是量子保密通信，可以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全的密鑰分發(fā)。目前經(jīng)典協(xié)議包括BB84 BB92等，目前傳輸媒介是光子，可以基于自由空間，也可以基于光纖可以繼續(xù)光纖。
量子通信技術(shù)目前主要的設(shè)備為量子密鑰分發(fā)器，此外還包括像隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、單光子源、單光子探測(cè)等。而從技術(shù)發(fā)展方向來(lái)說(shuō)，為了組建廣域的量子通信網(wǎng)，包括通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)城域的量子通信，通過(guò)量子中繼實(shí)現(xiàn)城際的量子通信，通過(guò)衛(wèi)星來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子通行等多種通信方式。
量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展目前可分為三個(gè)階段，第一階段是對(duì)各種有望實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展量子信息處理的物理體系進(jìn)行研究，第二階段是高密度、高效率的量子態(tài)制備與相互作用，更多粒子的量子糾纏及更長(zhǎng)的相干時(shí)間，第三階段則是對(duì)特定問(wèn)題超越經(jīng)典計(jì)算極限的量子計(jì)算機(jī)。目前的研究正處在第一和第二階段。
“為什么要實(shí)現(xiàn)更多的粒子糾纏？”倪勇橋解釋道，最重要原因是量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度和量子比特位的位數(shù)呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系，比特?cái)?shù)增加一倍，量子計(jì)算速度就會(huì)增加一倍，同時(shí)只有在相干糾纏中，才可以稱之為量子計(jì)算。
所以在量子系統(tǒng)中，需要越來(lái)越多的物理比特，也就是需要靈活的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以組合各種各樣的通道。
倪勇橋表示，是德科技已經(jīng)專門(mén)成立了量子測(cè)試技術(shù)事業(yè)部，在該事業(yè)部中，會(huì)專門(mén)針對(duì)量子相關(guān)的一些測(cè)試需求，提出相應(yīng)的測(cè)試方案。同時(shí)是德科技收購(gòu)了在量子相關(guān)領(lǐng)域非常有經(jīng)驗(yàn)的公司Signadyne，這家公司來(lái)自ICFO，是西班牙專門(mén)從事光學(xué)量子通信研究的研究院。通過(guò)結(jié)合是德科技在射頻微波及數(shù)字領(lǐng)域的技術(shù)，雙方的結(jié)合可以給量子信息領(lǐng)域帶來(lái)更多合作可能。
目前是德科技與全球量子信息研究相關(guān)合作一覽。
量子計(jì)算系統(tǒng)要求及測(cè)試需求
倪勇橋分析了量子計(jì)算具體要求，劃分為五層，物理層，控制層，電路層，算法層和邏輯層。是德科技關(guān)心的其實(shí)是在控制層，控制層是為了實(shí)現(xiàn)量子芯片的最優(yōu)化控制和讀取，只有控制部分做好，才能夠使得整個(gè)量子計(jì)算機(jī)整個(gè)性能有較大保證。在整個(gè)控制過(guò)程中靈活的控制才可以去實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的各種各樣的邏輯門(mén)。另外對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的控制層的測(cè)試需求來(lái)說(shuō)，目前整體需求會(huì)分為接收探測(cè)和控制需求。一般的研發(fā)的過(guò)程也都是從單個(gè)比特往多個(gè)比特走。同時(shí)測(cè)試需求需要由邏輯反饋能力，可以糾錯(cuò)，同時(shí)增加反饋能力。
倪勇橋介紹了迪文森佐判據(jù)，該判據(jù)是目前大家對(duì)于量子計(jì)算機(jī)能不能成為一個(gè)量子計(jì)算機(jī)或者潛在量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)非常重要的判據(jù)。判據(jù)首先要求要有量子態(tài)，同時(shí)要能夠制備出它的初態(tài)，一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的初態(tài)，要有盡可能長(zhǎng)的相干時(shí)間，要有控制能力，保護(hù)能力，高質(zhì)量的讀取能力，嚴(yán)格的時(shí)序等。
倪勇橋表示，對(duì)應(yīng)到測(cè)試系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，首先要有更高的信號(hào)質(zhì)量，同時(shí)也要保證各個(gè)通道的相干性，此外需要由有非常高的同步性能和時(shí)序性能，以及更好的可擴(kuò)展性，使得對(duì)于多比特的測(cè)試更加順利。同時(shí)量子測(cè)試系統(tǒng)需要更高可靠性，支持長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)作以及提供校準(zhǔn)功能。
量子計(jì)算系統(tǒng)的具體要求
是德科技專用量子計(jì)算測(cè)試平臺(tái)
倪勇橋表示，是德科技針對(duì)量子計(jì)算，有可擴(kuò)展的PXIe方案，AXIe AWG任意波發(fā)生器以及各種臺(tái)式儀表。
是德科技完整的量子計(jì)算相關(guān)測(cè)試產(chǎn)品
這些完整的產(chǎn)品線，可以滿足幾乎所有的量子計(jì)算相關(guān)需求。同時(shí)，是德科技通過(guò)提供超多通道量子計(jì)算系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)成套的量子計(jì)算解決方案。其中操控端通過(guò)M3202A系列任意波形發(fā)生器+專用上變頻器+QCRT專用校準(zhǔn)軟件，實(shí)現(xiàn)了最高精度的量子操控信號(hào)。而在接收端通過(guò)M3102A系列數(shù)據(jù)采集卡+專用下變頻器，可以實(shí)現(xiàn)快速判決及反饋。
倪勇橋特別強(qiáng)調(diào)了專用信號(hào)軟件P5060A，這是量子計(jì)算校準(zhǔn)軟件，可針對(duì)每個(gè)通道在其AWG信號(hào)帶寬內(nèi)完成帶寬校準(zhǔn)，支持包括本振泄露、鏡像抑制以及各種雜散等。
倪勇橋表示，目前是德科技在軟件平臺(tái)上也進(jìn)行了大量創(chuàng)新，包括支持Python，LabVIEW、MATLAB等控制語(yǔ)言，同時(shí)提供了HVI流程管理工具以及圖形化FPGA開(kāi)發(fā)環(huán)境專業(yè)軟件。
如圖所示，為了滿足量子計(jì)算機(jī)的需求，是德科技提供了各具優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品：
高性能硬件、專業(yè)校準(zhǔn)軟件
多通道信號(hào)、操控和讀取
HVI、FPGA編程能力
可擴(kuò)展PXI系統(tǒng)
標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品等特性，滿足量子計(jì)算機(jī)的種種需求。
Infiniium UXR和M8194A
杜吉偉則介紹了是德科技針對(duì)量子通信和量子計(jì)算推出的新產(chǎn)品，包括了臺(tái)式機(jī)Infiniium UXR和PXI的 M8194A系列，“大部分量子計(jì)算從業(yè)者會(huì)同時(shí)擁有這兩套設(shè)備。”杜吉偉說(shuō)道。Infiniium UXR實(shí)時(shí)示波器，帶寬13GHz到110GHz，它的采樣率到每通道達(dá)到256GSa/s的采樣率，ADC采用10位物理位數(shù)，ENOB在13GHz下為6.8個(gè)比特，本體噪聲是可以達(dá)到150個(gè)微幅。這些指標(biāo)均是目前實(shí)時(shí)示波器領(lǐng)域的全面突破。對(duì)于量子計(jì)算這種高精尖的測(cè)試，能夠提供更高的精度。
任意波形發(fā)生器既有基帶型任意波形發(fā)生器，也有高速任意波形發(fā)生器。 M8194A最高120GSa/s采樣率，每個(gè)模塊四個(gè)通道，每個(gè)通道同時(shí)使用都可以達(dá)到120G。
杜吉偉特別指出，普林斯頓大學(xué)曾經(jīng)在Nature上發(fā)表過(guò)一篇《Direct digital synthesis of microwave waveforms for quantum computing》，這篇文章就是介紹了如何使用是德科技的任意波形發(fā)生器進(jìn)行量子計(jì)算操控測(cè)試。
杜吉偉表示，是德科技由于早已和眾多科研機(jī)構(gòu)合作，所以知道現(xiàn)在常用的量子計(jì)算測(cè)試技術(shù)方案，了解現(xiàn)在的測(cè)試壁壘，因此也可以給未來(lái)從事量子計(jì)算測(cè)試的相關(guān)單位提供意見(jiàn)及建議，少走彎路。
杜吉偉表示，過(guò)去的方案都是單臺(tái)儀器獨(dú)立測(cè)試，沒(méi)有FPGA的編程能力很不靈活。是德科技通過(guò)增加FPGA功能，使得客戶可以自行編程，從而更靈活支持Qbit操控測(cè)試測(cè)試。
同時(shí)，由于過(guò)去通道數(shù)量有限，只能堆疊更多儀器，但這樣就會(huì)造成連線過(guò)長(zhǎng)從而引起誤差，所以通道數(shù)對(duì)于量子計(jì)算測(cè)試應(yīng)用很有幫助。
杜吉偉強(qiáng)調(diào)，校準(zhǔn)和反饋也是量子計(jì)算測(cè)量應(yīng)用中最為需要的一塊，AWG可以吧上變頻鏡像抑制等誤差全部自動(dòng)濾除，讓測(cè)試更準(zhǔn)確。同時(shí)AWG和分析儀獨(dú)立搭建，兩者是不具備反饋關(guān)系的，需要在分析儀根據(jù)分析結(jié)果做一些算法再回饋到AWG上，否則很多測(cè)試是無(wú)法進(jìn)行的。
開(kāi)放性也是很有必要的，因?yàn)椴煌脩羲惴ú灰粯樱砸_(kāi)放FPGA。同時(shí)，支持廣泛的硬件可擴(kuò)展性，以滿足更多比特測(cè)試要求，所以PXI模塊非常適合。
杜吉偉最后還特別介紹了是德科技的研發(fā)架構(gòu)，為三重研發(fā)架構(gòu)，最高層是Keysight Lab，中央實(shí)驗(yàn)室，它已經(jīng)開(kāi)始投入研發(fā)未來(lái)量子計(jì)算機(jī)的一些相關(guān)的技術(shù),另外的研發(fā)中心負(fù)責(zé)的是將前沿技術(shù)產(chǎn)品化，實(shí)現(xiàn)真正的商業(yè)需求。而解決方案中心則是負(fù)責(zé)滿足客戶及市場(chǎng)的需求，解決客戶的工程痛點(diǎn)。
除此之外，通過(guò)收購(gòu)量子測(cè)試公司，進(jìn)一步完善了測(cè)試方案。
此外是德科技的量子計(jì)算測(cè)試方案不僅僅是通用的，更多的是針對(duì)量子計(jì)算，開(kāi)發(fā)出專用的測(cè)試方案，比如專業(yè)的測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)能力等。
不夸張的說(shuō)，如果你有量子計(jì)算/量子通信測(cè)試需求的話，找是德科技就夠了。