WO2025013193A1 - Quantum device control system - Google Patents
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- G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
- G06N10/00—Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
Definitions
- the present invention relates to a quantum device control system.
- Quantum computers are an attempt to overcome this limit with new calculation principles and devices, and quantum devices and calculation methods using superconducting circuits, ion traps, photons, silicon quantum dots, etc. have been proposed.
- NISQ Noisy Intermediate-Scale Quantum Device
- the quantum device is fixed in thermal contact with the mixing chamber, which is the coldest part of the dilution refrigerator, and the quantum device is controlled by applying a control signal generated by the control device to the quantum device, thereby performing quantum calculations.
- Patent Document 1 discloses a calibration method for adjusting the parameter values of a control signal to reduce one or more of quantum gate leakage, non-fidelity, etc., thereby making it possible to perform a desired quantum calculation by correcting changes in characteristics.
- Patent Document 2 discloses a process for generating a sequence (control signal) from parameters, but there is a problem in that the entire control sequence needs to be regenerated (compiled) from the parameters, resulting in a high processing load for generating the control signal.
- the present invention has been made to solve the above problems, and the object of the present invention is to provide a quantum device control system that generates control signals while realizing, with a low processing load, changes in parameters required for calibration, which corrects changes in element characteristics.
- a preferred aspect of the present invention is a quantum device control system for controlling quantum operations in a quantum bit array in which multiple quantum bits are arranged one-dimensionally or two-dimensionally, the system comprising a sequence control unit for controlling a sequence of quantum operations, a command memory for storing commands for controlling each quantum bit in the quantum bit array, and a parameter memory for storing variables specific to each quantum bit in the quantum bit array, the sequence control unit acquiring the commands from the command memory and acquiring the variables specific to each quantum bit from the parameter memory to construct a sequence of quantum operations, and the parameter memory being rewritable according to the characteristics of each quantum bit.
- FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a quantum device control system according to a first embodiment of the present invention.
- FIG. 1 is a diagram showing an example of a circuit configuration of a quantum dot array in which a plurality of quantum dots are arranged two-dimensionally.
- FIG. 4 is a diagram showing an example of a detailed configuration of a bias control switch.
- FIG. 4 is a diagram showing an example of a driving signal for a quantum dot array.
- FIG. 4 is a diagram showing an example of a configuration of data stored in a command memory;
- FIG. 4 is a diagram showing an example of a command format of command data.
- FIG. 4 is a diagram showing an example of the configuration of data stored in a parameter memory.
- FIG. 1 is a diagram showing an example of a circuit configuration of a quantum dot array in which a plurality of quantum dots are arranged two-dimensionally.
- FIG. 4 is a diagram showing an example of a detailed configuration of a bias control switch
- FIG. 4 is a diagram showing an example of data stored in a command memory;
- FIG. 4 is a diagram showing an example of data stored in a parameter memory.
- FIG. 11 is a diagram showing an example of a calibration flowchart.
- FIG. 13 is a diagram showing an example of an input/output screen for calibration.
- FIG. 4 is a diagram showing an example of a command memory.
- FIG. 11 is a block diagram showing a configuration of a quantum device control system according to a second embodiment of the present invention.
- FIG. 4 is a diagram showing an example of the configuration of data stored in a sequence memory;
- FIG. 4 is a diagram showing an example of a configuration of data stored in a template memory;
- FIG. 4 is a diagram showing an example of the configuration of data stored in a parameter memory.
- FIG. 11 is a block diagram showing a configuration of a quantum device control system according to a third embodiment of the present invention.
- FIG. 13 is a block diagram showing a configuration of a quantum device control system according to a fourth embodiment of the present invention.
- FIG. 13 is a diagram showing an example of a flowchart of calibration according to a fourth embodiment of the present invention.
- the designations "first,” “second,” “third,” and the like are used to identify components, and do not necessarily limit the number, order, or content. Furthermore, numbers for identifying components are used in different contexts, and a number used in one context does not necessarily indicate the same configuration in another context. Furthermore, there is no prohibition on a component identified by a certain number also serving the function of a component identified by another number.
- a representative example of an embodiment is as follows. That is, in a quantum device control system for controlling quantum operations in a quantum bit array in which multiple quantum bits are arranged one-dimensionally or two-dimensionally, the system includes a sequence control unit for controlling the sequence of quantum operations, a command memory for storing commands for controlling each quantum bit in the quantum bit array, and a parameter memory for storing variables specific to each quantum bit in the quantum bit array, the sequence control unit obtains the commands from the command memory and obtains the variables specific to each quantum bit from the parameter memory to construct a sequence of quantum operations, and the parameter memory is rewritable according to the characteristics of each quantum bit.
- FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a quantum device control system 1 according to a first embodiment of the present invention.
- the quantum device control system 1 comprises a host PC (Personal Computer) 100, a control device 110, and a quantum device 120.
- the quantum device 120 that executes quantum computation is systemized by combining the host PC 100 that manages the entire quantum computation sequence, and the control device 110 that generates control signals for the quantum device 120 based on commands received from the host PC 100 and acquires the computation results.
- the quantum device 120 includes an element that holds quantum information.
- this may be a quantum dot, a superconducting circuit, an ion trap structure, or a structure that holds photons.
- the element that holds quantum information may have a structure of a quantum bit array arranged in a one-dimensional or two-dimensional shape.
- a quantum bit array in which multiple silicon quantum dots are connected in a two-dimensional shape is used as an example for explanation, but the present invention is not limited to this, and it is also possible to have the structure of the superconducting circuit described above or a quantum bit array arranged in a one-dimensional shape.
- the host PC 100 is usually placed in a room temperature environment (e.g., 20°C).
- the quantum device 120 is placed in an extremely low temperature environment (e.g., -273°C) realized by the mixing chamber, which has the lowest temperature in the dilution refrigerator, to enable the operation of the quantum bit.
- the other components are placed between the room temperature environment and the extremely low temperature environment.
- the temperature gradient changes from high to low along the flow of the signal from the host PC 100 to the quantum device 120.
- the semiconductor chip that constitutes the quantum device 120 is placed in an extremely low temperature environment
- the semiconductor chip that constitutes the control device 110 is placed in an environment that is lower than the room temperature environment (but not the extremely low temperature environment in which the quantum bit operates).
- the control device 110 and the quantum device 120 may be composed of the same semiconductor chip and the entire device may be placed in an extremely low temperature environment.
- the host PC 100 is a general information processing device equipped with a microprocessor, memory, storage device, input device, output device, etc. (not shown), and is assumed to run a system control application that manages the overall control of the quantum operation sequence to be executed by the quantum device control system 1.
- the system control application interprets the specified quantum operation sequence and supplies the commands and various control information required for the quantum operation to the control device 110 via the host interface 101, while acquiring the quantum operation results read from the quantum device 120.
- the host interface 101 may be an interface based on standard communication specifications such as USB (trademark), SPI (trademark), I2C (trademark), RS-232C, PCI Express (trademark), Ethernet (trademark), etc., or may be an interface with a unique specification based on a general-purpose input/output port.
- the control device 110 includes a host interface unit 111, a sequence control unit 112, a command memory 113, a parameter memory 114, a control signal generation unit 115, and a signal measurement unit 116.
- the host interface unit 111 controls communication with the host PC 100 connected via the host interface 101.
- the host interface unit 111 also communicates various signals between the sequence control unit 112, the command memory 113, the parameter memory 114, and the signal measurement unit 116.
- the sequence control unit 112 generates a signal for driving the control signal generation unit 115 by referring to the command memory 113 and parameter memory 114 in accordance with the control signal from the host interface unit 111, and transmits the signal to the control signal generation unit 115.
- Command memory 113 stores commands that control quantum device 120. For example, if quantum device 120 includes a quantum bit array, command memory 113 stores commands that control each quantum bit in the quantum bit array.
- Parameter memory 114 stores variables specific to quantum device 120. For example, if quantum device 120 includes a qubit array, parameter memory 114 stores variables specific to each qubit in the qubit array.
- the control signal generating unit 115 is composed of, for example, a bias voltage generating unit consisting of multiple channel voltage sources that operate independently, a bias voltage switching control unit that selects the bias voltage applied to the bias voltage control lines provided for each quantum bit in the quantum device 120 and controls the switching of the selected state, an arithmetic radio frequency generating unit that generates a radio frequency signal that controls the spin rotation of a single electron confined within the quantum bit, and a timing control unit required for time control between various processes.
- the control signal generating unit 115 transmits to the quantum device 120 a quantum device control signal 117 generated by at least one of the timing control unit, bias voltage switching control unit, bias voltage generating unit, and arithmetic radio frequency generating unit.
- the quantum device control signal 117 is, for example, at least one of a bias voltage drive signal and an RF signal that drive the quantum bit array, and more specifically, a signal that is multiplied onto a bias voltage supply line 143 that transmits a voltage signal generated by a bias voltage generation unit, a bias voltage switching strobe 141 and a bias voltage control register setting value 142 that are generated by a bias voltage switching control unit, and a signal that is multiplied onto an RF signal line 132 that transmits a signal generated by a radio frequency generation unit for calculation.
- the quantum device 120 includes a quantum operation unit control unit (not shown) and a quantum operation unit.
- the quantum operation control unit temporarily stores at least a portion of the control information input from the control signal generation unit 115 via the quantum device control signal 117, and switches the application state of the quantum operation unit control signal, which includes a bias voltage control line and a high frequency signal for operation, and which serves as a direct control signal for each quantum bit of the quantum operation unit, based on the strobe signal included in the quantum device control signal 117.
- the quantum operation unit control signal is, for example, a signal multiplied by the quantum dot array applied bias voltage control line 131 or a signal multiplied by the RF signal line 132.
- the quantum computing unit includes, for example, a quantum bit array in which multiple quantum bits are arranged one-dimensionally or two-dimensionally.
- the quantum computing unit executes quantum operations based on the application state of the quantum computing unit control signal, and outputs quantum computing unit output signal 121 including the quantum computing result.
- the quantum computing result is, for example, the observed spin state of a single electron confined in a quantum bit, converted into a binary value that identifies 0 or 1 in a classical computer.
- the computing unit output signal 121 may be a binary value or an analog value.
- the signal measurement unit 116 measures the quantum computation unit output signal 121 received from the quantum device 120 and transmits the measurement result to the host interface unit 111.
- the host PC 100 receives the measurement result via the host interface 101.
- Figure 2 shows an example of the circuit configuration of a two-dimensionally arranged quantum dot array.
- a quantum bit is realized by confining a single electron within a potential barrier formed in a silicon channel of a MOS structure, and the array structure has multiple quantum dots arranged in a two-dimensional lattice via transfer gates that control the movement and interaction of electrons between quantum dots.
- Each quantum dot is assigned coordinates that specify its position in the X (horizontal) and Y (vertical) directions within the array.
- the quantum dot array applied bias voltage control lines 131 include bias control line XQ for gate control of the quantum dot control gate MOS arranged in the X direction, bias control line YQW-YQE for gate control of the quantum dot control gate MOS arranged in the Y direction, bias control line XJN-XJS for gate control of the transfer gate MOS that connects the quantum dots in the X direction, and bias control line YJW-YJE for gate control of the transfer gate MOS that connects the quantum dots in the Y direction.
- a magnetic field By applying a magnetic field to a quantum dot in which a single electron is trapped, and then irradiating it with a high frequency wave that coincides (resonates) with the precession of the electron spin, which is determined by the strength of the magnetic field, the electron spin rotates and a quantum operation can be performed.
- a means is required to select or deselect the quantum dots that are the subject of the quantum operation.
- a method is envisaged in which a local magnetic field is generated by the current that flows by appropriately controlling the bias voltage of a bias voltage control line, and the strength of the magnetic field at each quantum dot position is locally modulated, resulting in a minute shift in the resonant frequency of the precession of the electron spin.
- a high frequency wave that coincides with the resonant frequency of the quantum dot in the selected state is input from the RF signal line 132, so that only the selected quantum dots selectively perform quantum operations.
- FIG. 3 is a diagram showing an example of a detailed configuration of a typical bias control switch included in the bias voltage switching switch matrix 140 provided in the quantum operation unit control unit.
- Bias control switches XJN[i], XJS[i], YJW[k], and YJE[k] are connected to the quantum dot array applied bias voltage control line 131, which are independent for each control target.
- each bias control switch detects the bias voltage switching timing indicated by the bias voltage switching strobe 141, it internally latches the setting value (binary, or a bitmap obtained by decoding the binary) related to its own switch from the bias voltage control register setting value 142.
- the setting value binary, or a bitmap obtained by decoding the binary
- FIG. 4 shows an example of a drive signal for a quantum dot array. Specifically, it shows an example of the bias voltage to be applied from the quantum dot array applied bias voltage control line 131 and the period during which high frequency should be input from the RF signal line 132 when executing a specific quantum operation (command) for one quantum dot in the quantum dot array.
- symbols such as VL, VL1s, VL1n, VL3w, and VL4e are bias voltage codes, and indicate the state in which the bias voltage identified by the code is applied to the bias voltage control line.
- the RF signal is simply shown only for the period when high frequency is input, but normally it should be a waveform with an envelope designed to suppress as much as possible the loss of fidelity that occurs with the execution of commands.
- Quantum computers which are based on the extremely low temperature environment realized by a dilution refrigerator, not only have strict power consumption requirements for quantum devices, but also have unique constraints that differ from classical computers. Specifically, the wiring connecting the inside and outside of the dilution refrigerator not only transmits power and signals, but also serves as a medium for thermal conduction, meaning that only a minimum number of wiring can be laid, determined by the balance between the target temperature of the mixing chamber and the cooling capacity of the dilution refrigerator, and because these wiring runs over long distances, the transmission speed is inevitably limited.
- quantum computers are subject to discontinuous changes in the characteristics of quantum devices due to temperature cycles, and continuous time fluctuations in the control output due to the circuit characteristics or implementation design of the control device that controls the quantum device. Due to the influence of these factors, the optimal control parameter values for achieving the desired quantum operation must be experimentally determined prior to the actual quantum operation, and may also change over time. This is an essential difference from classical computers, and requires a process known as calibration, in which optimal control parameter values are set as appropriate. In other words, even when controlling the same quantum bits placed in a quantum device, the control sequence must be changed due to changes in variation over time.
- FIG. 5 is a diagram showing an example of the configuration of data stored in the command memory 113.
- the command memory 113 is composed of registers to which an address is assigned for each predetermined bit. Command data is stored in the register at each address.
- the bit length of the command data can be, for example, 8 bits, 16 bits, 32 bits, 64 bits, 128 bits, etc.
- the address number may be assigned so that it increases or decreases by 1 for every 8 bits of command data, or it may be assigned so that it increases or decreases by 1 for each bit length of the command data.
- FIG. 5 shows a case where addresses are assigned as integers in order starting from 0 for each bit length of the command data.
- FIG. 6 shows an example of a command format 500 of command data.
- Rate information specification field (501, RATE): This field specifies the rate information corresponding to the execution time of the command.
- Operation information specification field (502, OPR): A field for specifying the operation content of the command.
- examples of the operation content include operations related to each function corresponding to the primitive control signal generated by the control signal generation unit 115, i.e., voltage setting of the bias voltage generation unit consisting of a voltage source of multiple channels operating independently, setting of selection control information of the bias voltage applied to each bias voltage control line, setting of the waveform envelope of the high frequency signal for calculation, switching of the bias voltage application state, output gating of the high frequency signal for calculation, and generation of various strobe signals that indicate the timing of reading and storing the calculation results.
- examples of operation content that supports sequence control and calibration processing may include operations related to notification indicating that it is the final command of the quantum calculation sequence (command string), and initialization operation of the quantum bit or at least a part of the control signal to the quantum bit.
- External parameter selection field (503, EXT): This field selects whether the control parameters required to execute the command are specified in the parameter specification field 504 within the command, or by referencing the parameter memory 114.
- Parameter specification field (504, PARAM): This field specifies either the immediate value of the control parameter required to execute the command, or a reference (address number) to the control parameter stored in the parameter memory 114. Depending on the contents of the external parameter selection field 503, this field is set to either an immediate value or a reference.
- FIG. 7 is a diagram showing an example of the configuration of data stored in the parameter memory 114.
- the parameter memory 114 is composed of registers to which an address is assigned for each predetermined number of bits. Parameter data is stored in the registers at each address.
- the bit length of the parameter data can be, for example, 8 bits, 16 bits, 32 bits, 64 bits, 128 bits, etc. Address numbers may be assigned so that they increase or decrease by 1 for every 8 bits of parameter data, or they may be assigned so that they increase or decrease by 1 for each bit length of the parameter data.
- FIG. 7 shows a case where addresses are assigned as integers in order starting from 0 for each bit length of the parameter data.
- sequence control unit 112 When the sequence control unit 112 receives a command execution command from the host PC 100, it refers to the command memory 113 and the parameter memory 114 and starts executing the command. Specifically, when the sequence control unit 112 receives a command execution command from the host PC 100, it obtains command data 0 stored in address number 0 from the command memory 113 and executes the command stored in the command data 0. At that time, if the external parameter selection field 503 indicates that the control parameters required for the execution of the command are specified by immediate values in the command, the sequence control unit 112 uses the control parameters stored in the parameter specification field 504.
- the sequence control unit 112 obtains the parameter data stored in the address number specified in the parameter specification field 504 from the parameter memory 114 and uses the control parameters stored in the parameter data. After completing the execution of the command data with address number 0, the sequence control unit 112 increases the address number of the command data to be executed by a predetermined value and then proceeds to execute the address number.
- the sequence control unit 112 is described as obtaining command data from address number 0 of the command memory 113 and executing them in order, but the present invention is not limited to this.
- the control device 110 may be configured to have a start address register, the sequence control unit 112 obtains an address number from which execution starts from the start address register, and the sequence control unit 112 executes from the command data of the address number in the command memory 113.
- the host PC is configured to be able to rewrite the start address register via the host interface 101.
- the operation information designation field 502 indicating that it is the final command of the quantum operation sequence (command string)
- the parameters in the control sequence that must be changed due to changes in variance over time are stored in a parameter memory.
- the voltage setting parameters of the bias voltage generating unit consisting of multiple channel voltage sources operating independently (voltage setting parameters of the bias voltage supply line 143) and the setting parameters of the waveform of the high frequency signal for calculation (amplitude, phase, frequency, duration such as full width at half maximum or half width at half maximum, envelope, etc.) may change due to changes in variation over time, and these parameters are configured to be stored in the parameter memory.
- Parameters that do not change with time or are only slightly affected by the change in variance with time and do not require changes to the control sequence may be configured to be stored in the parameter memory, or may be configured to be stored directly in the parameter designation field 504 without referencing the parameter memory 114.
- the setting parameter bias voltage control register setting value 142 for the selection control information of the bias voltage applied to each bias voltage control line and the timing parameter for switching the bias voltage application state are less affected by changes in variability over time. For this reason, they may be configured to be stored directly in the parameter designation field 504 without referencing the parameter memory 114.
- FIG. 8A is a diagram showing an example of data stored in the command memory in this embodiment.
- FIG. 8B is a diagram showing an example of data stored in the parameter memory in this embodiment.
- the voltage setting parameters for the bias voltage supply line 143 are set. These parameters may change due to variations over time, and are configured to be stored in a parameter memory, with the command memory referencing address numbers 0 to 7 of the parameter memory.
- addresses 8 to 15 and 17 to 24 set the bias voltage control register setting value 142. Additionally, addresses 16 and 25 set the bias voltage switching strobe 141. These parameters are not affected by variations over time, so the setting values are stored directly in the PARAM of the command memory.
- Calibration in this embodiment can be achieved by scanning variables specific to each quantum bit within a predetermined range and rewriting the data in the parameter memory 114 based on the measurement results of the signal measurement unit 116.
- FIG. 9 is a diagram showing an example of a calibration flow chart in this embodiment.
- FIG. 9 shows an example of performing calibration of the voltage setting parameters (voltage of bias voltage supply line 143) of a bias voltage generating unit consisting of multiple channels of voltage sources that operate independently, among the parameters of each function corresponding to the primitive control signal generated by the control signal generating unit 115.
- the quantum device control system 1 changes the setting value of the applied voltage on the predetermined bias voltage supply line 143 to a predetermined value (step 201). Specifically, for example, the host PC 100 sends a command to the control device 110 to change the voltage setting parameters of the bias voltage generation unit and change the setting value of the applied voltage on the predetermined bias voltage supply line 143 to a predetermined value. More specifically, the host PC 100 writes a command to the command memory 113 to change the setting value of the applied voltage on the predetermined bias voltage supply line 143 to a predetermined value, and then sends a command to the sequence control unit 112 to execute the sequence.
- the sequence control unit 112 executes the command written in the command memory 113 to send a command to the control signal generation unit 115, and the control signal generation unit 115 can change the voltage value on the predetermined bias voltage supply line 143 to a predetermined value in accordance with the command.
- control signal generating unit 115 can be configured to be capable of communicating with the host interface unit 111, and the host PC 100 can be configured to send a command to the control signal generating unit 115 via the host interface unit 111 to change the voltage value on the specified bias voltage supply line 143 to a specified value. This can simplify the procedure for changing the voltage value on the specified bias voltage supply line 143.
- the quantum device control system 1 acquires data (step 202). Specifically, for example, the host PC 100 sends a command to the signal measurement unit 116 of the control device 110 to measure the quantum operation unit output signal 121. The signal measurement unit 116 measures the quantum operation unit output signal 121 in accordance with the command. The host PC 100 commands the signal measurement unit 116 to transmit the measurement result. The signal measurement unit 116 returns the measurement result to the host PC 100 in accordance with the command.
- the host PC 100 of the quantum device control system 1 determines whether to end the voltage scan (step 203). If the voltage scan is not to be ended (step 203; No), the set value of the output voltage is changed by a predetermined value and execution is repeated from step 201.
- step 203 If the voltage scan is to be terminated (step 203; Yes), the host PC 100 determines the optimal setting value for the voltage output value based on the voltage setting value in step 201 and the data acquired in step 202 (step 204).
- the determined optimal setting value for the voltage output value is written to a register in parameter memory 114 that stores the voltage setting parameters of the bias voltage generating unit (step 205). This completes the calibration of the voltage setting parameters of the bias voltage generating unit.
- calibration can be achieved by changing the VL1s voltage in step 201 and rewriting the parameter data at address number 0 in the parameter memory in step 205.
- FIG. 10 is a diagram showing an example of an input/output screen 210 for calibration.
- the input/output screen 210 includes a button 211 and a display area 212.
- the input/output screen 210 is, for example, a part of a display screen displayed by the host PC 100.
- quantum device control system 1 When a user of quantum device control system 1 clicks button 211A, quantum device control system 1 starts the calibration flow. Once the calibration flow is started, the progress is displayed in display area 212A. Once acquisition of calibration data is complete, the calibration result is displayed in display area 212B. This displayed value is the value determined in step 204. When a user of quantum device control system 1 clicks button 211B, the value of the calibration result is written to the parameter memory. This corresponds to step 205.
- the calibration result values are written to the parameter memory when the user of the quantum device control system 1 clicks button 211B, but the present invention is not limited to this.
- the quantum device control system 1 may not have button 211B, and may be configured to automatically write the values to the parameter memory in step 205 after the optimal setting values are determined in step 204. This allows for further automation of the calibration.
- a quantum device control system that controls quantum operations in a quantum bit array in which quantum bits are arranged one-dimensionally or two-dimensionally includes a sequence control unit 112 that controls the sequence of quantum operations, a command memory 113 that stores commands to control each quantum bit in the quantum bit array, and a parameter memory 114 that stores variables specific to each quantum bit in the quantum bit array, and the sequence control unit 112 obtains the commands from the command memory 113 and obtains the variables specific to each quantum bit from the parameter memory 114 to construct the quantum operation sequence, and the parameter memory 114 is rewritable according to the characteristics of each quantum bit.
- a control signal generating unit 115 which generates a control signal for the quantum bit array, and the sequence of quantum operations is a sequence of signals which drive the control signal generating unit 115, and the sequence control unit 112 generates signals which drive the control signal generating unit 115 and transmits them to the control signal generating unit 115. This makes it possible to control the control signal generating unit 115 in response to instructions from the sequence control unit 112.
- the control signal generating unit 115 also generates at least one of a bias voltage drive signal or an RF signal that drives the quantum bit array. This allows the control signal generating unit 115 to generate at least a control signal for driving the quantum bit array, such as a bias voltage drive signal or an RF signal, in response to an instruction from the sequence control unit 112.
- variable specific to each quantum bit in the quantum bit array may be at least one of the parameters specifying the bias voltage drive signal or the parameters specifying the RF signal. This allows the parameters specifying the bias voltage drive signal and the parameters specifying the RF signal to be defined as variables specific to each quantum bit.
- the parameter specifying the bias voltage drive signal may be a bias voltage, a bias voltage switching strobe, or a bias voltage control register setting value. This allows the bias voltage, the bias voltage switching strobe, or the bias voltage control register setting value to be output as the bias voltage drive signal.
- the parameter specifying the RF signal may be at least one of the amplitude, phase, frequency, duration, or envelope of the RF signal. This makes it possible to output an RF signal with the amplitude, phase, frequency, duration, or envelope of the RF signal as a parameter.
- the quantum device control system 1 also includes a signal measurement unit 116, which measures the signal output from the quantum bit array.
- the signal measurement unit 116 also scans variables specific to each quantum bit within a predetermined range, and rewrites the data in the parameter memory based on the measurement results of the signal measurement unit 116. This allows the data in the parameter memory 114 to be rewritten based on the measurement results of the signal output from the quantum bit array measured by the signal measurement unit 116, making it possible to calibrate voltage setting parameters, for example.
- the quantum device control system 1 further comprises a host PC 100, a control device 110 including the sequence control unit 112, the command memory 113, the parameter memory 114, and the signal measurement unit 116, and a quantum device including the quantum bit array, and the signal measurement unit 116 measures the signal output from the quantum bit array based on a command from the host PC 100. This makes it possible to measure the signal output from the quantum bit array at a timing desired by the user.
- the command memory 113 is configured to include a sequence memory 301 and a template memory 302. Note that in the second embodiment, differences from the previous embodiment will be mainly described, and the same components as those in the previous embodiment will be given the same reference numerals, and descriptions of these will be omitted.
- FIG. 11 is a diagram showing an example of the command memory 113 in the configuration of the first embodiment when the same control is performed on two adjacent quantum bits in the quantum bit array.
- Address numbers 0 to 7 in the command memory 113 shown in FIG. 11 are command data that refer to the parameter memory.
- Address numbers 8 to 25 are command data that control the first quantum bit in the quantum bit array.
- Address numbers 26 to 43 are command data that control the second quantum bit adjacent to the first quantum bit in the quantum bit array.
- FIG. 11 illustrates a case where the second quantum bit is adjacent to the first quantum bit in the X direction.
- the control sequence executed by the quantum device control system 1 is a control sequence that differs only in the field required to identify the target quantum bit.
- control sequences are generally the same, but slightly different control sequences are required due to differences in the wiring to be accessed and variations in the quantum bits.
- FIG. 12 is a block diagram showing the configuration of a quantum device control system 1A according to a second embodiment of the present invention.
- the command memory 113 includes a sequence memory 301 and a template memory 302.
- the host interface unit 111 communicates various signals between the sequence memory 301 and the template memory 302.
- the sequence control unit 112 refers to the sequence memory 301, template memory 302, and parameter memory 114 in accordance with the control signal from the host interface unit 111, generates a signal for driving the control signal generation unit 115, and transmits it to the control signal generation unit 115.
- FIG. 13A is a diagram showing an example of the configuration of data stored in the sequence memory 301 according to the second embodiment of the present invention.
- the sequence memory 301 is composed of registers to which addresses are assigned for each predetermined bit. Sequence data is stored in the registers of each address.
- FIG. 13A illustrates a case in which addresses are assigned by integers starting from 0 for each bit length of the sequence data.
- Each sequence data stored in the sequence memory 301 may be configured to refer to either the template memory 302 or the parameter memory 114, or both.
- the data stored in the template memory 302 is composed of multiple template data sets identified by template numbers, and when the sequence data refers to the template memory 302, the template number to be referenced is specified.
- the data stored in the parameter memory 114 is composed of multiple parameter data sets identified by parameter numbers, and when the sequence data refers to the parameter memory 114, the parameter number to be referenced is specified.
- FIG. 13B is a diagram showing an example of the configuration of data stored in the template memory 302 according to the second embodiment of the present invention.
- the template memory 302 is composed of multiple template data sets identified by template numbers.
- the template memory 302 is illustrated as being composed of two template data sets, template number 1 and template number 2.
- Each template data set stored in the template memory 302 is composed of, for example, a register to which an address is assigned for each predetermined bit. Template data is stored in the register at each address.
- an integer number is assigned to addresses in order starting from 0 for each bit length of the template data.
- Each template data stored in the template memory 302 may be configured to refer to the parameter memory 114.
- FIG. 13C is a diagram showing an example of the configuration of data stored in the parameter memory 114 according to the second embodiment of the present invention.
- the parameter memory 114 is composed of multiple parameter data sets identified by parameter numbers.
- Each parameter data set stored in the parameter memory 114 is composed of registers to which an address is assigned for each predetermined bit, for example.
- Parameter data is stored in the registers at each address.
- FIG. 13C shows a case in which addresses are assigned integers in order starting from 0 for each bit length of the parameter data.
- the sequence memory 301 stores the outline sequence of the quantum computation executed by the quantum device control system 1A.
- the outline sequence is a sequence of the control sequence that is composed of fields other than the different fields for identifying the target quantum bit.
- the template memory 302 can store commands that are common to each quantum bit in the quantum bit array. For example, when a quantum computation executed by the quantum device control system 1A is divided into multiple blocks, the template memory 302 stores, as a template, a control sequence for executing the divided small-scale quantum computation.
- template memory 302 stores a control sequence for performing an operation on one quantum bit as a first template, and stores a control sequence for performing an operation on two adjacent quantum bits as a second template.
- the template memory 302 may be configured to divide the quantum bits in the quantum device 120 into a plurality of sets, and store a control sequence for executing an operation on one quantum bit as a template for each divided set.
- the quantum bits in the quantum device 120 may be divided into a plurality of sets based on the number of adjacent quantum bits, i.e., a set of quantum bits adjacent to one quantum bit, a set of quantum bits adjacent to two quantum bits, a set of quantum bits adjacent to three quantum bits, a set of quantum bits adjacent to four quantum bits, etc., and store a control sequence for executing an operation on one quantum bit for each divided set as a template. This makes it possible to provide a difference in the control sequence for each divided set.
- Parameter memory 114 stores data that complements a portion of the data stored in sequence memory 301 or template memory 302. For example, parameter memory 114 stores variables specific to each quantum bit, and sequence memory 301 or template memory 302 configures sequence data or template data by referring to parameter memory 114.
- Address numbers 0 to 7 of the sequence memory 301 shown in FIG. 13A refer to parameter numbers 3 to 10 of the parameter memory 114, respectively.
- address number 0 of the sequence memory 301 refers to parameter number 3 of the parameter memory 114
- the parameter data includes the voltage value of the bias voltage supply line 143 (VL1s) as a parameter.
- Address numbers 8 and 9 of the sequence memory 301 both refer to template number 1 of the template memory, and also refer to parameter numbers 1 and 2 of the parameter memory 114, respectively.
- Template number 1 of the template memory stores a series of sequences for switching the bias voltage changeover switch matrix 140 and a command for driving the arithmetic radio frequency generating unit, but the number of the signal line to be switched and the parameters for driving the arithmetic radio frequency generating unit (such as the amplitude and phase of the radio frequency) differ depending on the quantum bit to be controlled and are therefore parameterized, and invalid data (dummy data) is stored in the corresponding bit of the template data, and the corresponding bit is configured to be cut out to the parameter memory 114.
- Parameter memory parameter numbers 1 and 2 store the number of the signal line to be switched and the parameters for driving the calculation high frequency generating unit for each quantum bit to be controlled.
- parameter memory parameter number 1 stores parameters for controlling the first quantum bit
- parameter memory parameter number 2 stores parameters for controlling the second quantum bit.
- parameter number 1 and address number 0 in the parameter memory mean writing the value 0 to the 4-bit bit area from the 10th bit to the 13th bit at address number 0 in the template data.
- the template memory 302 is complemented with the data in the parameter memory 114, but the present invention is not limited to this.
- the parameter memory 114 it is also possible to configure the parameter memory 114 to further refer to a second parameter memory (not shown), and to complement the parameter memory 114 data using the values in the second parameter memory, and further to complement the template memory 302 using those values.
- the parameter memory 114 contains parameters for quantum operations (such as the amount of rotation of a rotation operator), and the second parameter memory contains a correspondence table between the parameters for quantum operations and the parameters of control signals (such as the application time of an RF signal). This makes it possible to increase the freedom of configuration of the quantum device control system 1A and the flexibility of parameter setting.
- control device 110 can be configured to include a calculation unit (not shown), send data from the parameter memory 114 to the calculation unit, and supplement the template memory 302 with the results of calculations on that data.
- the parameter memory 114 includes parameters for quantum calculations (such as the amount of rotation of a rotation operator), and the calculation unit calculates parameters for the control signal (such as the application time of an RF signal) from the parameters for the quantum calculation. This makes it possible to increase the freedom of configuration of the quantum device control system 1A and the flexibility of parameter setting.
- the control sequence is generally the same, but due to differences in the wiring to be accessed and variations in the quantum bits, slightly different control sequences are required.
- the control sequence for executing the divided small-scale quantum computation is stored as a template in the template memory 302, and parameters specific to each quantum bit are configured to refer to the parameter memory 114.
- the command memory includes a sequence memory 301 that stores an outline sequence and a template memory 302 that stores commands common to each quantum bit in the quantum bit array, and the sequence control unit 112 acquires the outline sequence from the sequence memory 301, and acquires commands common to each quantum bit from the template memory 302 among the outline sequences acquired from the sequence memory 301.
- This allows a portion of the memory that stores the control sequences required for operations on different quantum bits to be shared, making it possible to reduce the amount of memory provided to the control device 110 and also to reduce the amount of data sent from the host PC to the control device 110.
- variables specific to each quantum bit are stored in parameter memory 114. Therefore, similar to embodiment 1, parameters specific to each quantum bit that require a change in the control sequence due to changes in variation over time can be stored in parameter memory 114, and the data stored in parameter memory 114 can be rewritten by calibration, making it possible to provide a quantum device control system that generates control signals while realizing, with a low processing load, changes in parameters required for calibration, which corrects changes in element characteristics.
- the template memory 302 stores, as templates, control sequences for executing the divided small-scale quantum computations. This makes it possible to store, as templates, control sequences for the quantum computations of each of the divided blocks.
- the above division is a division of the quantum computation executed by the quantum device control system 1A into an operation on one quantum bit and an operation on two adjacent quantum bits, and the template memory 302 stores a control sequence for executing an operation on one quantum bit as a first template, and stores a control sequence for executing an operation on two adjacent quantum bits as a second template. This makes it possible to perform quantum computation in the control sequence using a different template for each divided group.
- Example 3 the quantum device control system 1 is configured to include a signal measurement unit 401 outside the control device 110. Note that in Example 3, differences from the previous examples will be mainly described, and the same components as in the previous examples will be given the same reference numerals and their description will be omitted.
- FIG. 14 is a block diagram showing the configuration of a quantum device control system 1B according to a third embodiment of the present invention.
- the quantum device control system 1B includes a host PC 100, a control device 110, a quantum device 120, and a signal measurement unit 401.
- the control device 110 also includes a host interface unit 111, a sequence control unit 112, a command memory 113, a parameter memory 114, and a control signal generation unit 115.
- the signal measurement unit 401 includes a measurement device such as an oscilloscope, a digitizer, or a spectrum analyzer.
- the signal measurement unit 401 may be placed in a room temperature environment, a lower temperature environment than room temperature, or an extremely low temperature environment.
- the host PC 100 communicates with the signal measurement unit 401.
- the signal measurement unit 401 receives the quantum operation unit output signal 121 from the quantum device 120.
- the signal measurement unit 401 measures the quantum operation unit output signal 121 received from the quantum device 120.
- the host PC 100 receives the measurement results from the signal measurement unit 401 via the host interface 101.
- the quantum device control system 1B comprises a host PC 100, a control device 110 comprising the sequence control unit 112, the command memory 113, and the parameter memory 114, a quantum device comprising the quantum bit array, and a signal measurement unit 401, and the signal measurement unit 116 measures a signal output from the quantum bit array based on a command from the host PC 100. Therefore, according to this embodiment, it is possible to configure the signal measurement unit 401 to include a high-performance measurement device, making it possible to improve the accuracy of calibration, for example. Furthermore, since a variety of measurement devices can be used as the signal measurement unit 401, it is possible to increase the flexibility of the configuration of the quantum device control system 1B.
- Example 4 the quantum device control system 1 is configured such that the control unit 601 controls the signal measurement unit 116. Note that in Example 4, differences from the previously described examples will be mainly described, and the same components as those in the previously described examples will be given the same reference numerals and their description will be omitted.
- FIG. 15 is a block diagram showing the configuration of a quantum device control system 1C according to a fourth embodiment of the present invention.
- the control device 110 includes a host interface unit 111, a control unit 601, a command memory 113, a parameter memory 114, a control signal generation unit 115, and a signal measurement unit 116.
- the control unit 601 has a function equivalent to that of the sequence control unit 112 in the first embodiment. That is, in accordance with a control signal from the host interface unit 111, the control unit 601 generates a signal for driving the control signal generation unit 115 by referring to the command memory 113 and the parameter memory 114, and transmits the signal to the control signal generation unit 115.
- the control unit 601 also communicates with the signal measurement unit 116.
- the signal measurement unit 116 measures the quantum operation unit output signal 121 received from the quantum device 120 according to instructions from the control unit 601.
- the signal measurement unit 116 transmits the measurement result to the control unit 601 according to instructions from the control unit 601.
- the control unit 601 rewrites the value of a specified register area of the parameter memory 114 based on the measurement result received from the signal measurement unit 116.
- An example of a calibration flow chart in this embodiment is the same as that shown in FIG. 9. However, it differs from the first embodiment in that the control unit 601 controls the signal measurement unit 116.
- step 202 the host PC 100 sends a command to the control unit 601 to measure a signal.
- the control unit 601 sends a command to the signal measurement unit 116 to measure the quantum operation unit output signal 121.
- the signal measurement unit 116 measures the quantum operation unit output signal 121 in accordance with the command.
- the control unit 601 commands the signal measurement unit 116 to transmit the measurement result.
- the signal measurement unit 116 returns the measurement result to the control unit 601.
- the control unit 601 returns the measurement result to the host PC 100.
- control unit 601 it is also possible to configure the control unit 601 to control the calibration flow based on a calibration start command from the host PC 100.
- FIG. 16 shows another example of a calibration flow chart in this embodiment.
- the host PC 100 sends a command to the control unit 601 to start calibration (step 200).
- the control unit 601 receives the command from the host PC 100, it starts the calibration flow.
- the control unit 601 changes the voltage setting parameters of the bias voltage generation unit and controls the setting value of the applied voltage in the predetermined bias voltage supply line 143 to a predetermined value (step 201).
- the control unit 601 sends a command to the signal measurement unit 116 to measure the quantum operation unit output signal 121, and receives the measurement result from the signal measurement unit 116 (step 202).
- the control unit 601 determines whether to end the voltage scan (step 203). If the voltage scan is not to be ended (step 203; No), the output voltage setting value is changed by a predetermined value and execution is performed again from step 201.
- step 203 If the voltage scan is to be ended (step 203; Yes), the control unit 601 determines the optimal setting value of the voltage output value based on the voltage setting value in step 201 and the data acquired in step 202 (step 204). The control unit 601 writes the determined optimal setting value of the voltage output value to a register in the parameter memory that stores the voltage setting parameters of the bias voltage generation unit (step 205). Finally, the control unit 601 sends a notification to the host PC 100 that the calibration is complete. This completes the calibration of the voltage setting parameters of the bias voltage generation unit.
- the quantum device control system 1C comprises a host PC 110, a control device 110 comprising a control unit 601, the command memory 113, the parameter memory 114, and a signal measurement unit 116, and a quantum device comprising the quantum bit array, the control unit 601 comprising the sequence control unit 112, and the signal measurement unit 116 measuring a signal output from the quantum bit array based on a command from the control unit 601. Therefore, according to this embodiment, by the control unit 601 controlling the signal measurement unit 116, it is possible to reduce the amount of communication between the host PC 100 and the control device 110 and also reduce the processing load on the host PC 100.
- sequence control unit 112, command memory 113, and parameter memory 114 may be provided in the host PC 100, and signals may be output to the control signal generation unit 115 of the control device 200.
- the control device 200 can be configured simply to achieve functions similar to those of the respective embodiments.
- the above-mentioned embodiment makes it possible to realize a practical quantum computer, which consumes less energy, reduces carbon emissions, prevents global warming, and contributes to the realization of a sustainable society.
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Abstract
Description
本発明は、量子デバイス制御システムに関する。 The present invention relates to a quantum device control system.
半世紀以上にわたりコンピュータの進展を支えてきた半導体素子の微細化による性能向上は、プロセスルールとシリコンの原子間距離との対比から、近い将来限界が訪れることが確実視されている。量子コンピュータは、新しい計算原理やデバイスによりその限界を打破する試みであり、超伝導回路、イオントラップ、光子、シリコン量子ドットなどを利用した量子デバイスや演算方式が提案されている。加えて、大規模で実用的なアプリケーションを、誤り耐性のある汎用量子コンピュータシステムで実行するという将来構想への前段階として、現時点では、量子ビット数が100個程度と少なく誤り訂正ができないという概念を前提とした、NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum device)と呼ばれるシステムの原理実証やアルゴリズム探索が進んでいる。 The performance improvement achieved by miniaturizing semiconductor elements, which has supported the progress of computers for over half a century, is expected to reach its limit in the near future due to the comparison between process rules and the atomic distance of silicon. Quantum computers are an attempt to overcome this limit with new calculation principles and devices, and quantum devices and calculation methods using superconducting circuits, ion traps, photons, silicon quantum dots, etc. have been proposed. In addition, as a preliminary step to the future concept of running large-scale, practical applications on an error-tolerant general-purpose quantum computer system, progress is currently being made in proving the principle and exploring algorithms for a system called NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum Device), which is based on the concept that the number of quantum bits is small, around 100, and error correction is not possible.
シリコン量子ドット内の単一電子スピンのように、極低温で顕著となる量子効果を演算原理とする量子デバイスを応用した量子コンピュータシステムを実現するには、組み込み先となる装置として希釈冷凍機を選択するのが通例である。この場合、量子デバイスは希釈冷凍機内で最も温度が下がるミキシングチャンバに熱的に接触して固定されており、制御デバイスが生成する制御信号を量子デバイスに印加することで量子デバイスを制御し量子計算を行う。 To realize a quantum computer system that uses quantum devices that operate on quantum effects that become evident at extremely low temperatures, such as the spin of a single electron in a silicon quantum dot, it is customary to choose a dilution refrigerator as the device to incorporate it into. In this case, the quantum device is fixed in thermal contact with the mixing chamber, which is the coldest part of the dilution refrigerator, and the quantum device is controlled by applying a control signal generated by the control device to the quantum device, thereby performing quantum calculations.
量子デバイス内のシリコン量子ビットなど量子情報を保持する素子は、環境の変化等により特性が変わりうることが知られており、同一の制御信号を同一の量子デバイスに印加したとしても、特性の変化により異なる量子計算が実施されることになる。特許文献1では、量子ゲートの漏れ、非忠実度等の1つまたは複数を低減するように制御信号のパラメータの値を調整するキャリブレーション手法について開示されており、これにより特性の変化を補正することで所望の量子計算を実行することができるようになる。しかしながら、調整されたパラメータの値から制御信号を生成するプロセスについては開示されていない。特許文献2ではパラメータからシーケンス(制御信号)を生成するプロセスが開示されているが、パラメータから制御シーケンス全体を再生成(コンパイル)する必要があり、制御信号生成の処理負荷が高いという問題がある。
It is known that elements that hold quantum information, such as silicon qubits in quantum devices, can change in characteristics due to changes in the environment, and even if the same control signal is applied to the same quantum device, different quantum calculations will be performed due to changes in characteristics.
本発明は、上記課題を解決すべくなされたものであり、本発明の目的は、素子特性変化の補正であるキャリブレーションに必要なパラメータの変更を低処理負荷で実現しながら制御信号を生成する量子デバイス制御システムを提供することにある。 The present invention has been made to solve the above problems, and the object of the present invention is to provide a quantum device control system that generates control signals while realizing, with a low processing load, changes in parameters required for calibration, which corrects changes in element characteristics.
本発明の好ましい一側面は、量子ビットが一次元または二次元状に複数配列した量子ビットアレイにおける量子操作を制御する量子デバイス制御システムにおいて、量子操作のシーケンスを制御するシーケンス制御部と、前記量子ビットアレイ内の各量子ビットを制御するコマンドを格納するコマンドメモリと、前記量子ビットアレイ内の各量子ビットに固有な変数を格納するパラメータメモリと、を備え、前記シーケンス制御部は、前記コマンドメモリから前記コマンドを取得するとともに、前記各量子ビットに固有な変数を前記パラメータメモリから取得して量子操作のシーケンスを構築し、前記パラメータメモリは、各量子ビットの特性に応じて書き換え可能である、ことを特徴とする量子デバイス制御システムである。 A preferred aspect of the present invention is a quantum device control system for controlling quantum operations in a quantum bit array in which multiple quantum bits are arranged one-dimensionally or two-dimensionally, the system comprising a sequence control unit for controlling a sequence of quantum operations, a command memory for storing commands for controlling each quantum bit in the quantum bit array, and a parameter memory for storing variables specific to each quantum bit in the quantum bit array, the sequence control unit acquiring the commands from the command memory and acquiring the variables specific to each quantum bit from the parameter memory to construct a sequence of quantum operations, and the parameter memory being rewritable according to the characteristics of each quantum bit.
本発明の一態様によれば、素子特性変化の補正であるキャリブレーションに必要なパラメータの変更を低処理負荷で実現しながら制御信号を生成する量子デバイス制御システムを提供できる。前述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明によって明らかにされる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to provide a quantum device control system that generates control signals while realizing parameter changes required for calibration, which is the correction of changes in element characteristics, with a low processing load. Problems, configurations, and effects other than those described above will be made clear through the explanation of the following examples.
以下、本発明の実施例について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明は、本発明の一実施形態を説明するためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。従って、当業者であればこれらの各要素又は全要素をこれと同等なものに置換した実施形態を採用することが可能であり、これらの実施形態も本発明の範囲に含まれる。 Below, examples of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the following description is intended to explain one embodiment of the present invention, and is not intended to limit the scope of the present invention. Therefore, a person skilled in the art could adopt an embodiment in which each or all of these elements are replaced with equivalents, and these embodiments are also within the scope of the present invention.
以下に説明する実施例の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、重複する説明は省略することがある。 In the configurations of the embodiments described below, the same parts or parts having similar functions are designated by the same reference numerals in different drawings, and duplicate descriptions may be omitted.
同一あるいは同様な機能を有する要素が複数ある場合には、同一の符号に異なる添字を付して説明する場合がある。ただし、複数の要素を区別する必要がない場合には、添字を省略して説明する場合がある。 When there are multiple elements with the same or similar functions, they may be described using the same reference numeral with different subscripts. However, when there is no need to distinguish between multiple elements, the subscripts may be omitted.
本明細書等における「第1」、「第2」、「第3」などの表記は、構成要素を識別するために付するものであり、必ずしも、数、順序、もしくはその内容を限定するものではない。また、構成要素の識別のための番号は文脈毎に用いられ、一つの文脈で用いた番号が、他の文脈で必ずしも同一の構成を示すとは限らない。また、ある番号で識別された構成要素が、他の番号で識別された構成要素の機能を兼ねることを妨げるものではない。 In this specification, the designations "first," "second," "third," and the like are used to identify components, and do not necessarily limit the number, order, or content. Furthermore, numbers for identifying components are used in different contexts, and a number used in one context does not necessarily indicate the same configuration in another context. Furthermore, there is no prohibition on a component identified by a certain number also serving the function of a component identified by another number.
図面等において示す各構成の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。 The position, size, shape, range, etc. of each component shown in the drawings, etc. may not represent the actual position, size, shape, range, etc., in order to facilitate understanding of the invention. Therefore, the present invention is not necessarily limited to the position, size, shape, range, etc. disclosed in the drawings, etc.
本明細書で引用した刊行物、特許および特許出願は、そのまま本明細書の説明の一部を構成する。 Publications, patents, and patent applications cited in this specification are incorporated herein by reference.
本明細書において単数形で表される構成要素は、特段文脈で明らかに示されない限り、複数形を含むものとする。 In this specification, elements expressed in the singular include the plural unless the context clearly indicates otherwise.
実施例の代表的な一例を示せば以下の通りである。すなわち、量子ビットが一次元または二次元状に複数配列した量子ビットアレイにおける量子操作を制御する量子デバイス制御システムにおいて、量子操作のシーケンスを制御するシーケンス制御部と、前記量子ビットアレイ内の各量子ビットを制御するコマンドを格納するコマンドメモリと、前記量子ビットアレイ内の各量子ビットに固有な変数を格納するパラメータメモリと、を備え、前記シーケンス制御部は、前記コマンドメモリから前記コマンドを取得するとともに、前記各量子ビットに固有な変数を前記パラメータメモリから取得して量子操作のシーケンスを構築し、前記パラメータメモリは、各量子ビットの特性に応じて書き換え可能である、ことを特徴とする量子デバイス制御システムである。 A representative example of an embodiment is as follows. That is, in a quantum device control system for controlling quantum operations in a quantum bit array in which multiple quantum bits are arranged one-dimensionally or two-dimensionally, the system includes a sequence control unit for controlling the sequence of quantum operations, a command memory for storing commands for controlling each quantum bit in the quantum bit array, and a parameter memory for storing variables specific to each quantum bit in the quantum bit array, the sequence control unit obtains the commands from the command memory and obtains the variables specific to each quantum bit from the parameter memory to construct a sequence of quantum operations, and the parameter memory is rewritable according to the characteristics of each quantum bit.
図1は、本発明の第1の実施形態に係る量子デバイス制御システム1の構成を示すブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a quantum
量子デバイス制御システム1は、ホストPC(Personal Computer)100と、制御デバイス110と、量子デバイス120と、を有する。本実施形態は量子計算を実行する量子デバイス120に、量子演算シーケンス全体を統括するホストPC100と、ホストPC100から受信した命令に基づき、量子デバイス120への制御信号を生成し、また演算結果を獲得する制御デバイス110と、を組み合わせてシステム化したものである。
The quantum
量子デバイス120は、量子情報を保持する素子を備えている。例えば、量子ドット、超伝導回路、イオントラップ構造、光子を保持する構造などである。また、量子情報を保持する素子は一次元又は二次元形状に並んだ量子ビットアレイの構造を取ることが可能である。本実施例では、シリコン量子ドットが二次元形状に複数接続された量子ビットアレイを例に挙げて説明を行うが、本発明はこれに限られず、先述した超電導回路や一次元形状に並んだ量子ビットアレイの構造を取ることも可能である。
The
ホストPC100は、室温環境(例えば20℃)内に設置されるのが通常である。一方、量子デバイス120は、希釈冷凍機内で最も温度が下がるミキシングチャンバが実現する極低温環境(例えばマイナス273℃)に配置されて量子ビットの操作を可能とする。その他の構成は、室温環境から極低温環境の間に配置されることになる。この場合の温度勾配は、ホストPC100から量子デバイス120に向かう信号の流れに沿って、高温から低温に変化することになる。例えば、量子デバイス120を構成する半導体チップを極低温環境に配置し、制御デバイス110を構成する半導体チップは室温環境よりは低温な環境(ただし量子ビットが動作する極低温環境ではない)とする。ただし、ミキシングチャンバの冷却能力が十分高い場合には、制御デバイス110と量子デバイス120を同一の半導体チップで構成し、その全体を極低温環境に配置してもよい。
The host PC 100 is usually placed in a room temperature environment (e.g., 20°C). On the other hand, the
ホストPC100は、図示しないマイクロプロセッサ、メモリ、ストレージ装置、入力装置、および出力装置等を備えた一般的な情報処理装置であり、量子デバイス制御システム1で実行すべき量子演算シーケンスの制御全般を管理するシステム制御アプリケーションが動作しているものとする。
The host PC 100 is a general information processing device equipped with a microprocessor, memory, storage device, input device, output device, etc. (not shown), and is assumed to run a system control application that manages the overall control of the quantum operation sequence to be executed by the quantum
前記システム制御アプリケーションは、指定された量子演算シーケンスを解釈し、ホストインタフェース101を介して、量子演算に必要な命令や各種制御情報を制御デバイス110に供給するとともに、量子デバイス120から読み出された量子演算結果を取得する。ここで、ホストインタフェース101は、USB(商標)、SPI(商標)、I2C(商標)、RS-232C、PCI Express(商標)、イーサネット(商標)等の標準的な通信仕様に基づくインタフェースであってもよいし、汎用入出力ポートをベースとする独自仕様であってもよい。
The system control application interprets the specified quantum operation sequence and supplies the commands and various control information required for the quantum operation to the
制御デバイス110は、ホストインタフェース部111と、シーケンス制御部112と、コマンドメモリ113と、パラメータメモリ114と、制御信号生成部115と、信号測定部116と、を備えている。
The
ホストインタフェース部111は、ホストインタフェース101で接続されたホストPC100との間で通信を制御する。また、ホストインタフェース部111は、シーケンス制御部112、コマンドメモリ113、パラメータメモリ114、信号測定部116、との間で、各種信号を相互通信する。
The
シーケンス制御部112は、ホストインタフェース部111からの制御信号に従い、コマンドメモリ113及びパラメータメモリ114を参照して制御信号生成部115を駆動するための信号を生成し、制御信号生成部115に送信する。
The
コマンドメモリ113は、量子デバイス120を制御するコマンドを格納する。例えば量子デバイス120が量子ビットアレイを備える場合、コマンドメモリ113は量子ビットアレイ内の各量子ビットを制御するコマンドを格納する。
パラメータメモリ114は、量子デバイス120に固有な変数を格納する。例えば量子デバイス120が量子ビットアレイを備える場合、パラメータメモリ114は量子ビットアレイ内の各量子ビットに固有な変数を格納する。
制御信号生成部115は、例えば、独立に動作する複数チャネルの電圧源からなるバイアス電圧生成部と、量子デバイス120において量子ビットごとに設けられたバイアス電圧制御線への印加バイアス電圧の選択や、選択状態の切り替えを制御するバイアス電圧切替制御部と、量子ビット内に閉じ込められた単一電子のスピン回転を制御する高周波信号を発生させる演算用高周波生成部と、各種処理間の時間制御に必要なタイミング制御部と、を含んで構成される。制御信号生成部115は、タイミング制御部、バイアス電圧切替制御部、バイアス電圧生成部、演算用高周波生成部のうち少なくとも1つが生成した量子デバイス制御信号117を量子デバイス120に送信する。量子デバイス制御信号117は、例えば、量子ビットアレイを駆動するバイアス電圧駆動信号やRF信号のうち少なくとも一つであり、より具体的には、バイアス電圧生成部が生成した電圧信号を伝送するバイアス電圧供給線143に乗じる信号、バイアス電圧切替制御部が生成するバイアス電圧切り替えストローブ141及びバイアス電圧制御レジスタ設定値142、演算用高周波生成部が生成した信号を伝送するRF信号線132に乗じる信号などである。
The control
量子デバイス120は、図示しない量子演算部制御部と、量子演算部と、を含んで構成される。
The
量子演算制御部は、量子デバイス制御信号117を介して、制御信号生成部115から入力された制御情報の少なくとも一部を一時蓄積するとともに、量子デバイス制御信号117に含まれるストローブ信号に基づき、量子演算部の各量子ビットに対する直接の制御信号となる、バイアス電圧制御線、演算用高周波信号を含む量子演算部制御信号の印加状態を切り替える。量子演算部制御信号は、例えば量子ドットアレイ印加バイアス電圧制御線131に乗じる信号や、RF信号線132に乗じる信号である。
The quantum operation control unit temporarily stores at least a portion of the control information input from the control
量子演算部は、例えば、量子ビットが一次元または二次元状に複数配列した量子ビットアレイを備えている。量子演算部は、量子演算部制御信号の印加状態に基づく量子操作を実行し、量子演算結果を含む量子演算部出力信号121を出力する。ここで量子演算結果とは、例えば、量子ビットに閉じ込められた単一電子のスピン状態を観測し、古典コンピュータにおける0または1を識別するバイナリ値に変換したものである。演算部出力信号121はバイナリ値でもよいし、アナログ値でもよい。
The quantum computing unit includes, for example, a quantum bit array in which multiple quantum bits are arranged one-dimensionally or two-dimensionally. The quantum computing unit executes quantum operations based on the application state of the quantum computing unit control signal, and outputs quantum computing
信号測定部116は、量子デバイス120から受信した量子演算部出力信号121に対して測定を行い、その測定結果をホストインタフェース部111に送信する。ホストPC100は、ホストインタフェース101を介して測定結果を受信する。
The
図2は、二次元状に複数配列した量子ドットアレイの回路構成の一例を示す図である。量子ビットは、MOS構造のシリコンチャネル中に形成したポテンシャルバリア内に単一電子を閉じ込めることで実現しており、量子ドット間での電子の移動や相互作用を制御するトランスファゲートを介して、複数の量子ドットを二次元の格子状に配列したアレイ構造をとる。各量子ドットには、アレイ内のX(横)およびY(縦)方向の位置を特定する座標が割り当てられているものとする。 Figure 2 shows an example of the circuit configuration of a two-dimensionally arranged quantum dot array. A quantum bit is realized by confining a single electron within a potential barrier formed in a silicon channel of a MOS structure, and the array structure has multiple quantum dots arranged in a two-dimensional lattice via transfer gates that control the movement and interaction of electrons between quantum dots. Each quantum dot is assigned coordinates that specify its position in the X (horizontal) and Y (vertical) directions within the array.
量子ドットアレイ印加バイアス電圧制御線131には、X方向に配列する量子ドット制御ゲート用MOSのゲート制御を対象とするバイアス制御線XQ、Y方向に配列する量子ドット制御ゲート用MOSのゲート制御を対象とするバイアス制御線YQW-YQE、量子ドット間をX方向に接続するトランスファゲートMOSのゲート制御を対象とするバイアス制御線XJN-XJS、量子ドット間をY方向に接続するトランスファゲートMOSのゲート制御を対象とするバイアス制御線YJW-YJEが含まれる。
The quantum dot array applied bias
単一電子が閉じ込められた量子ドットに磁場を印加し、さらに、磁場の強さから定まる電子スピンの歳差運動に一致する(共鳴する)高周波を照射することで、電子スピンが回転し量子演算を実行できるが、複数の量子ドットを含む量子ドットアレイにおいては、量子演算の実行対象となる量子ドットを選択または非選択とする手段が必要となる。具体的には、例えば、バイアス電圧制御線のバイアス電圧を適切に制御することで流れる電流により局所磁場を発生させ、各量子ドット位置における磁場の強さを局所的に変調し、電子スピンの歳差運動の共鳴周波数を微小にシフトさせる手法が想定される。その場合、RF信号線132からは選択状態にある量子ドットの共鳴周波数に一致する高周波を入力することで、選択状態の量子ドットのみが選択的に量子演算を実行する。
By applying a magnetic field to a quantum dot in which a single electron is trapped, and then irradiating it with a high frequency wave that coincides (resonates) with the precession of the electron spin, which is determined by the strength of the magnetic field, the electron spin rotates and a quantum operation can be performed. However, in a quantum dot array containing multiple quantum dots, a means is required to select or deselect the quantum dots that are the subject of the quantum operation. Specifically, for example, a method is envisaged in which a local magnetic field is generated by the current that flows by appropriately controlling the bias voltage of a bias voltage control line, and the strength of the magnetic field at each quantum dot position is locally modulated, resulting in a minute shift in the resonant frequency of the precession of the electron spin. In this case, a high frequency wave that coincides with the resonant frequency of the quantum dot in the selected state is input from the
図3は、量子演算部制御部が備えているバイアス電圧切り替えスイッチマトリクス140に含まれる典型的なバイアス制御スイッチに関する詳細な構成の一例を示す図である。量子ドットアレイ印加バイアス電圧制御線131には、制御対象ごとに独立したバイアス制御スイッチXJN[i]、XJS[i]、YJW[k]、YJE[k]が接続されている。各バイアス制御スイッチは、バイアス電圧切り替えストローブ141が指示するバイアス電圧切り替えタイミングを検出すると、バイアス電圧制御レジスタ設定値142のうち、自スイッチに関する設定値(バイナリ、もしくはバイナリをデコードしたビットマップ)を内部でラッチする。続いて、バイアス電圧供給線143の少なくとも一部の供給線から、ラッチ後の設定値で指定される1つを選択することで、設定値を反映した電圧値をもつバイアス電圧を量子ドットアレイ印加バイアス電圧制御線131から出力する。
FIG. 3 is a diagram showing an example of a detailed configuration of a typical bias control switch included in the bias voltage switching
図4は、量子ドットアレイの駆動信号の一例を示す図である。具体的には、量子ドットアレイ内の1量子ドットを対象として、所定の量子演算(命令)を実行する際に、量子ドットアレイ印加バイアス電圧制御線131から印加すべきバイアス電圧、およびRF信号線132から高周波を入力すべき期間の一例である。
FIG. 4 shows an example of a drive signal for a quantum dot array. Specifically, it shows an example of the bias voltage to be applied from the quantum dot array applied bias
ここで、VL、VL1s、VL1n、VL3w、VL4e等の記号は、バイアス電圧符号であり、当該バイアス電圧制御線に対して当該符号で識別されるバイアス電圧が印加されている状態を示す。なお、RF信号については、高周波が入力されている期間のみ簡易的に示しているが、通常、命令の実行に伴って発生する忠実度の低下を可能な限り抑制するよう設計されたエンベロープをもつ波形となるべきである。 Here, symbols such as VL, VL1s, VL1n, VL3w, and VL4e are bias voltage codes, and indicate the state in which the bias voltage identified by the code is applied to the bias voltage control line. Note that the RF signal is simply shown only for the period when high frequency is input, but normally it should be a waveform with an envelope designed to suppress as much as possible the loss of fidelity that occurs with the execution of commands.
希釈冷凍機が実現する極低温環境を前提とする量子コンピュータでは、量子デバイスに許容される消費電力条件が厳しいだけではなく、古典コンピュータとは異なる特有の制約が存在する。具体的には、希釈冷凍機の内外を接続する配線が電力や信号を伝送するだけではなく熱伝導の媒体ともなることから、ミキシングチャンバの目標到達温度と希釈冷凍機の冷却能力とのバランスで決まる最低限の本数しか配線を敷設できないという点、またそれらの配線が長距離となることから必然的に伝送速度も抑えられるという点である。 Quantum computers, which are based on the extremely low temperature environment realized by a dilution refrigerator, not only have strict power consumption requirements for quantum devices, but also have unique constraints that differ from classical computers. Specifically, the wiring connecting the inside and outside of the dilution refrigerator not only transmits power and signals, but also serves as a medium for thermal conduction, meaning that only a minimum number of wiring can be laid, determined by the balance between the target temperature of the mixing chamber and the cooling capacity of the dilution refrigerator, and because these wiring runs over long distances, the transmission speed is inevitably limited.
加えて量子コンピュータでは、温度サイクルに起因する量子デバイスの時間不連続な特性変化や、量子デバイスを制御する制御デバイスの回路特性または実装設計上の理由による制御出力の連続的な時間変動が存在する。これらの要素の影響により、目的とする量子操作を実現する最適な制御パラメータ値は、本来の量子操作に先立ち実験的に決定されなければならず、かつ時間的にも変化しうる。この点が、古典コンピュータとは本質的に異なっており、キャリブレーションと呼ばれる適宜最適な制御パラメータ値を設定するプロセスが必要となる。換言すれば、量子デバイス内に配置された同一の量子ビットを対象とする制御を実施する場合においても、バラツキの経時変化により、制御シーケンスを変更する必要がある。 In addition, quantum computers are subject to discontinuous changes in the characteristics of quantum devices due to temperature cycles, and continuous time fluctuations in the control output due to the circuit characteristics or implementation design of the control device that controls the quantum device. Due to the influence of these factors, the optimal control parameter values for achieving the desired quantum operation must be experimentally determined prior to the actual quantum operation, and may also change over time. This is an essential difference from classical computers, and requires a process known as calibration, in which optimal control parameter values are set as appropriate. In other words, even when controlling the same quantum bits placed in a quantum device, the control sequence must be changed due to changes in variation over time.
次に、キャリブレーションに必要なパラメータの変更を低処理負荷で実現しながら制御信号を生成する本実施例の構成について説明を行う。 Next, we will explain the configuration of this embodiment, which generates a control signal while achieving parameter changes required for calibration with a low processing load.
図5は、コマンドメモリ113に格納されるデータの一構成例を示す図である。コマンドメモリ113は、例えば所定のビットごとにアドレスが割り振られたレジスタから構成されている。各アドレスのレジスタにコマンドデータが格納されている。コマンドデータのビット長としては例えば8ビット、16ビット、32ビット、64ビット、128ビットなどを利用することが可能である。アドレス番号はコマンドデータ8ビットごとに1だけ増減するように付与しても良いし、コマンドデータのビット長ごとに1だけ増減するように付与しても良い。図5では、コマンドデータのビット長ごとにアドレスを0から順番に整数で割り振った場合で図示している。
FIG. 5 is a diagram showing an example of the configuration of data stored in the
図6は、コマンドデータのコマンドフォーマット500の一例を示す図である。
FIG. 6 shows an example of a
レート情報指定フィールド(501、RATE):当該コマンドの実行時間に相当するレート情報を指定するフィールドである。 Rate information specification field (501, RATE): This field specifies the rate information corresponding to the execution time of the command.
操作情報指定フィールド(502、OPR):当該コマンドの操作内容を指定するフィールドである。特に制限されないが、操作内容の一例としては、制御信号生成部115の生成するプリミティブな制御信号に対応する各機能、すなわち独立に動作する複数チャネルの電圧源からなるバイアス電圧生成部の電圧設定、各バイアス電圧制御線への印加バイアス電圧の選択制御情報の設定、演算用高周波信号の波形エンベロープの設定、バイアス電圧の印加状態切り替え、演算用高周波信号の出力ゲーティング、演算結果の読み出しや蓄積のタイミングを指示する各種ストローブ信号生成に関する操作がある。加えて、シーケンス制御や較正処理を支援する操作内容の一例として、量子演算シーケンス(コマンド列)の最終コマンドであることを示す通知、量子ビットや量子ビットへの制御信号の少なくとも一部に対する初期化動作、に関する操作があってもよい。
Operation information specification field (502, OPR): A field for specifying the operation content of the command. Although not particularly limited, examples of the operation content include operations related to each function corresponding to the primitive control signal generated by the control
外部パラメータ選択フィールド(503、EXT):当該コマンドの実行に必要な制御パラメータをコマンド内のパラメータ指定フィールド504で指定するか、もしくはパラメータメモリ114を参照して指定するかを選択するフィールドである。
External parameter selection field (503, EXT): This field selects whether the control parameters required to execute the command are specified in the
パラメータ指定フィールド(504、PARAM):当該コマンドの実行に必要な制御パラメータの即値またはパラメータメモリ114内に格納された制御パラメータへの参照(アドレス番号)のいずれかを指定するフィールドである。外部パラメータ選択フィールド503の内容に応じて、本フィールドの設定が即値と参照のいずれであるかを区別する。
Parameter specification field (504, PARAM): This field specifies either the immediate value of the control parameter required to execute the command, or a reference (address number) to the control parameter stored in the
図7は、パラメータメモリ114に格納されるデータの一構成例を示す図である。パラメータメモリ114は、例えば所定のビットごとにアドレスが割り振られたレジスタから構成されている。各アドレスのレジスタにパラメータデータが格納されている。パラメータデータのビット長としては例えば8ビット、16ビット、32ビット、64ビット、128ビットなどを利用することが可能である。アドレス番号はパラメータデータ8ビットごとに1だけ増減するように付与しても良いし、パラメータデータのビット長ごとに1だけ増減するように付与しても良い。図7では、パラメータデータのビット長ごとにアドレスを0から順番に整数で割り振った場合で図示している。
FIG. 7 is a diagram showing an example of the configuration of data stored in the
シーケンス制御部112は、ホストPC100からコマンド実行の指令を受信すると、コマンドメモリ113及びパラメータメモリ114を参照してコマンドの実行を開始する。具体的には、シーケンス制御部112は、ホストPC100からコマンド実行の指令を受信すると、コマンドメモリ113からアドレス番号0に格納されたコマンドデータ0を取得し、コマンドデータ0に格納されているコマンドを実行する。その際、外部パラメータ選択フィールド503が当該コマンドの実行に必要な制御パラメータをコマンド内の即値で指定することを示している場合、シーケンス制御部112はパラメータ指定フィールド504に格納されている制御パラメータを利用する。外部パラメータ選択フィールド503がパラメータメモリ114を参照することを示している場合、シーケンス制御部112はパラメータ指定フィールド504で指定されているアドレス番号に格納されているパラメータデータをパラメータメモリ114から取得し、当該パラメータデータに格納されている制御パラメータを利用する。シーケンス制御部112は、アドレス番号0のコマンドデータの実行終了後、実行対象となるコマンドデータのアドレス番号を所定の値だけ増加させたのち、当該アドレス番号の実行に進む。
When the
上記では、シーケンス制御部112はコマンドメモリ113のアドレス番号0からコマンドデータを取得し順番に実行していくとして説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、制御デバイス110は開始アドレスレジスタを備えており、シーケンス制御部112は開始アドレスレジスタから実行を開始するアドレス番号を取得し、シーケンス制御部112はコマンドメモリ113の当該アドレス番号のコマンドデータから実行を行う構成としても良い。ホストPCはホストインタフェース101を介して開始アドレスレジスタを書き換え可能な構成とする。量子演算シーケンス(コマンド列)の最終コマンドであることを示す操作情報指定フィールド502と組み合わせて使用することで、コマンドメモリ113の途中からコマンド実行を開始し、コマンドメモリ113の途中でコマンド実行を終了することが可能となる。これにより、複数種類のコマンドシーケンスをあらかじめコマンドメモリに格納しておくことが可能となり、開始アドレスレジスタを設定したのちコマンド実行を開始することで、コマンドメモリ113を書き換えることなく、複数種類のコマンドシーケンスを選択的に実行可能となる。
In the above, the
先述したように、量子コンピュータでは量子デバイス内に配置された同一の量子ビットを対象とする制御を実施する場合においても、バラツキの経時変化により、制御シーケンスを変更する必要がある。本実施形態では、制御シーケンスのうちバラツキの経時変化により変更しなければならないパラメータをパラメータメモリに格納する構成とする。 As mentioned above, in a quantum computer, even when controlling the same quantum bit placed in a quantum device, it is necessary to change the control sequence due to changes in variance over time. In this embodiment, the parameters in the control sequence that must be changed due to changes in variance over time are stored in a parameter memory.
例えば、制御信号生成部115の生成するプリミティブな制御信号に対応する各機能のパラメータのうち、独立に動作する複数チャネルの電圧源からなるバイアス電圧生成部の電圧設定パラメータ(バイアス電圧供給線143の電圧設定パラメータ)、演算用高周波信号の波形(振幅、位相、周波数、半値全幅若しくは半値半幅等の持続時間、エンベロープ等)の設定パラメータなどはバラツキの経時変化により変更する場合があり、これらのパラメータをパラメータメモリに格納する構成とする。
For example, among the parameters of each function corresponding to the primitive control signal generated by the control
ばらつきの経時変化が無い、もしくはばらつきの経時変化の影響が小さく、制御シーケンスを変更しなくても良いパラメータについては、パラメータメモリに格納する構成としてもよいし、パラメータ指定フィールド504に直接格納しパラメータメモリ114を参照しないように構成しても良い。
Parameters that do not change with time or are only slightly affected by the change in variance with time and do not require changes to the control sequence may be configured to be stored in the parameter memory, or may be configured to be stored directly in the
例えば、制御信号生成部115の生成するプリミティブな制御信号に対応する各機能のパラメータのうち、各バイアス電圧制御線への印加バイアス電圧の選択制御情報の設定パラメータ(バイアス電圧制御レジスタ設定値142)やバイアス電圧の印加状態切り替えのタイミングパラメータなどについては、バラツキの経時変化の影響が少ない。そのため、パラメータ指定フィールド504に直接格納しパラメータメモリ114を参照しないように構成しても良い。
For example, among the parameters of each function corresponding to the primitive control signal generated by the control
図8Aは、本実施例におけるコマンドメモリに格納されるデータの一例を示す図である。また、図8Bは、本実施例におけるパラメータメモリに格納されるデータの一例を示す図である。 FIG. 8A is a diagram showing an example of data stored in the command memory in this embodiment. FIG. 8B is a diagram showing an example of data stored in the parameter memory in this embodiment.
図8Aのアドレス番号0から7では、バイアス電圧供給線143の電圧設定パラメータを設定している。これらのパラメータはバラツキの経時変化により変更する場合があり、これらのパラメータをパラメータメモリに格納する構成とし、コマンドメモリではパラメータメモリのアドレス番号0から7を参照している。
In
図8Aのアドレス番号8から15、及び17から24では、バイアス電圧制御レジスタ設定値142を設定している。また、アドレス番号16及び25では、バイアス電圧切り替えストローブ141を設定している。これらのパラメータはバラツキの経時変化の影響を受けることがないため、コマンドメモリのPARAMに直接設定値が格納されている。
In FIG. 8A, addresses 8 to 15 and 17 to 24 set the bias voltage control
次に、本実施例におけるキャリブレーションの手順について説明する。本実施例におけるキャリブレーションは、各量子ビットに固有な変数を所定の範囲内でスキャンし、信号測定部116の測定結果に基づき、パラメータメモリ114のデータを書き換えることで実現できる。
Next, the calibration procedure in this embodiment will be described. Calibration in this embodiment can be achieved by scanning variables specific to each quantum bit within a predetermined range and rewriting the data in the
図9は、本実施例におけるキャリブレーションのフローチャートの一例を示す図である。図9では、制御信号生成部115の生成するプリミティブな制御信号に対応する各機能のパラメータのうち、独立に動作する複数チャネルの電圧源からなるバイアス電圧生成部の電圧設定パラメータ(バイアス電圧供給線143の電圧)のキャリブレーションを実施する例を示している。
FIG. 9 is a diagram showing an example of a calibration flow chart in this embodiment. FIG. 9 shows an example of performing calibration of the voltage setting parameters (voltage of bias voltage supply line 143) of a bias voltage generating unit consisting of multiple channels of voltage sources that operate independently, among the parameters of each function corresponding to the primitive control signal generated by the control
初めに、量子デバイス制御システム1は所定のバイアス電圧供給線143における印加電圧の設定値を所定の値に変更する(ステップ201)。具体的には例えば、ホストPC100は制御デバイス110に対して、バイアス電圧生成部の電圧設定パラメータを変更し、所定のバイアス電圧供給線143における印加電圧の設定値を所定の値に変更する指令を送信する。より具体的には、ホストPC100は、所定のバイアス電圧供給線143における印加電圧の設定値を所定の値に変更するコマンドをコマンドメモリ113に書きこみ、続けてシーケンス制御部112にシーケンスの実行の指令を送信する。シーケンス制御部112はコマンドメモリ113に書き込まれたコマンドを実行することで、制御信号生成部115に指令を送信し、制御信号生成部115は指令に従い所定のバイアス電圧供給線143における電圧値を所定の値に変更することが可能である。
First, the quantum
本発明の別の観点では、制御信号生成部115はホストインタフェース部111と相互通信可能な構成とし、ホストPC100は、ホストインタフェース部111を介して、制御信号生成部115に所定のバイアス電圧供給線143における電圧値を所定の値に変更する指令を送信する構成とすることも可能である。これにより、所定のバイアス電圧供給線143における電圧値の変更の手順を簡略化することが可能である。
In another aspect of the present invention, the control
次に、量子デバイス制御システム1はデータの取得を行う(ステップ202)。具体的には例えば、ホストPC100は制御デバイス110の信号測定部116に対して、量子演算部出力信号121を測定する指令を送信する。信号測定部116は指令に従い、量子演算部出力信号121を測定する。ホストPC100は、信号測定部116に対して、測定結果の伝送を指令する。信号測定部116は指令に従い、測定結果をホストPC100に対して返送する。
Next, the quantum
次に、量子デバイス制御システム1のホストPC100は、電圧スキャンを終了するか判定を行う(ステップ203)。電圧スキャンを終了しない場合(ステップ203;No)、出力電圧の設定値を所定の値だけ変更を行い、ステップ201から再度実行を行う。
Next, the
電圧スキャンを終了する場合(ステップ203;Yes)、ホストPC100は、ステップ201における電圧の設定値及びステップ202における取得したデータを基に、電圧出力値の最適設定値を決定する(ステップ204)。
If the voltage scan is to be terminated (
最後に、決定した電圧出力値の最適設定値をパラメータメモリ114のうち当該バイアス電圧生成部の電圧設定パラメータを格納するレジスタに書き込む(ステップ205)。これにより、当該バイアス電圧生成部の電圧設定パラメータのキャリブレーションは終了である。
Finally, the determined optimal setting value for the voltage output value is written to a register in
図8A、8Bに示したコマンドメモリ113及びパラメータメモリ114の例において、VL1s電圧をキャリブレーションする例を示すとすれば、ステップ201ではVL1s電圧を変更し、ステップ205ではパラメータメモリのアドレス番号0におけるパラメータデータを書き換えることでキャリブレーションは実現できる。
In the example of the
図10は、キャリブレーション用の入出力画面210の一例を示す図である。入出力画面210は、ボタン211と、表示エリア212と、を備えている。入出力画面210は、例えばホストPC100が表示するディスプレイ画面の一部である。
FIG. 10 is a diagram showing an example of an input/
量子デバイス制御システム1は、量子デバイス制御システム1の利用者がボタン211Aをクリックすると、キャリブレーションのフローを開始する。キャリブレーションのフローを開始すると、表示エリア212Aに進捗状況を表示する。キャリブレーション用データの取得が終了すると、表示エリア212Bにキャリブレーション結果を表示する。この表示値はステップ204によって決定された値である。量子デバイス制御システム1の利用者がボタン211Bをクリックするとキャリブレーション結果の値をパラメータメモリに書き込む。これはステップ205に対応する。
When a user of quantum
上記では量子デバイス制御システム1の利用者がボタン211Bをクリックするとキャリブレーション結果の値をパラメータメモリに書き込むとしたが、本発明はこれに限られない。例えば、量子デバイス制御システム1はボタン211Bを備えておらず、ステップ204による最適設定値の決定後、自動的にステップ205によるパラメータメモリへの書き込みを行う構成としても良い。これによりキャリブレーションの更なる自動化が可能である。
In the above, it has been described that the calibration result values are written to the parameter memory when the user of the quantum
本実施例によれば、各量子ビットに固有なパラメータで、バラツキの経時変化により制御シーケンスを変更する必要があるパラメータをパラメータメモリ114に格納し、キャリブレーションによりパラメータメモリ114に格納されているデータを書き換えるように構成した。例えば、量子ビットが一次元または二次元状に複数配列した量子ビットアレイにおける量子操作を制御する量子デバイス制御システム(例えば、制御デバイス110)において、量子操作のシーケンスを制御するシーケンス制御部112と、上記量子ビットアレイ内の各量子ビットを制御するコマンドを格納するコマンドメモリ113と、上記量子ビットアレイ内の各量子ビットに固有な変数を格納するパラメータメモリ114と、を備え、上記シーケンス制御部112は、上記コマンドメモリ113から上記コマンドを取得するとともに、上記各量子ビットに固有な変数を上記パラメータメモリ114から取得して上記量子操作のシーケンスを構築し、上記パラメータメモリ114は、各量子ビットの特性に応じて書き換え可能とした。これにより、素子特性変化の補正であるキャリブレーションに必要なパラメータの変更を低処理負荷で実現しながら制御信号を生成する量子デバイス制御システムを提供することが可能となる。
According to this embodiment, parameters specific to each quantum bit, which require a change in the control sequence due to a change in the variation over time, are stored in the
また、上記量子ビットアレイに対する制御信号を生成する制御信号生成部115を備え、上記量子操作のシーケンスは、上記制御信号生成部115を駆動する信号のシーケンスであり、上記シーケンス制御部112は、上記制御信号生成部115を駆動する信号を生成すると共に、上記制御信号生成部115に送信する。これにより、シーケンス制御部112からの指示に応じて制御信号生成部115を制御することができる。
Furthermore, a control
また、上記制御信号生成部115は、上記量子ビットアレイを駆動する、バイアス電圧駆動信号若しくはRF信号のうち少なくとも一つを生成する。これにより、シーケンス制御部112からの指示に応じて、制御信号生成部115が、少なくとも、上記量子ビットアレイの駆動、バイアス電圧駆動信号若しくはRF信号のような制御信号を生成することができる。
The control
また、上記量子ビットアレイ内の各量子ビットに固有な変数は、上記バイアス電圧駆動信号を指定するパラメータ、若しくは上記RF信号を指定するパラメータのうち少なくとも一つであってよい。これにより、上記バイアス電圧駆動信号を指定するパラメータや上記RF信号を指定するパラメータを、上記各量子ビットに固有な変数として定めることができる。 Furthermore, the variable specific to each quantum bit in the quantum bit array may be at least one of the parameters specifying the bias voltage drive signal or the parameters specifying the RF signal. This allows the parameters specifying the bias voltage drive signal and the parameters specifying the RF signal to be defined as variables specific to each quantum bit.
また、上記バイアス電圧駆動信号を指定するパラメータは、バイアス電圧、若しくはバイアス電圧切り替えストローブ、若しくはバイアス電圧制御レジスタ設定値としてよい。これにより、バイアス電圧、若しくはバイアス電圧切り替えストローブ、若しくはバイアス電圧制御レジスタ設定値をバイアス電圧駆動信号として出力することができる。 The parameter specifying the bias voltage drive signal may be a bias voltage, a bias voltage switching strobe, or a bias voltage control register setting value. This allows the bias voltage, the bias voltage switching strobe, or the bias voltage control register setting value to be output as the bias voltage drive signal.
また、上記RF信号を指定するパラメータは、RF信号の振幅、若しくは位相、若しくは周波数、若しくは持続時間、若しくはエンベロープのうち少なくとも一つとしてよい。これにより、RF信号の振幅、若しくは位相、若しくは周波数、若しくは持続時間、若しくはエンベロープをパラメータとしたRF信号を出力することができる。 The parameter specifying the RF signal may be at least one of the amplitude, phase, frequency, duration, or envelope of the RF signal. This makes it possible to output an RF signal with the amplitude, phase, frequency, duration, or envelope of the RF signal as a parameter.
また、量子デバイス制御システム1が信号測定部116を備え、上記信号測定部116が上記量子ビットアレイから出力される信号を測定する。また、上記各量子ビットに固有な変数を所定の範囲内でスキャンし、上記信号測定部116の測定結果に基づき、前記パラメータメモリのデータを書き換える。これにより、信号測定部116が測定した、上記量子ビットアレイから出力される信号の測定結果に基づいてパラメータメモリ114のデータを書き換え、例えば、電圧設定パラメータのキャリブレーションが可能となる。
The quantum
また、量子デバイス制御システム1において、ホストPC100と、上記シーケンス制御部112と前記コマンドメモリ113と前記パラメータメモリ114と前記信号測定部116とを備える制御デバイス110と、上記量子ビットアレイを備える量子デバイスと、を備え、上記信号測定部116は、ホストPC100からの指令に基づき、上記量子ビットアレイから出力される信号を測定する。これにより、利用者所望のタイミングで上記量子ビットアレイから出力される信号を測定することができる。
The quantum
実施例2では、コマンドメモリ113はシーケンスメモリ301とテンプレートメモリ302を備える構成とした。なお、実施例2において、前述した実施例との相違点を主に説明し、前述した実施例と同じ構成には同じ符号を付し、それらの説明は省略する。
In the second embodiment, the
図11は、実施例1の構成において、量子ビットアレイの隣接する2量子ビットに対して同一の制御を行う場合のコマンドメモリ113の一例を示す図である。図11に示すコマンドメモリ113のアドレス番号0から7はパラメータメモリを参照するコマンドデータである。アドレス番号8から25は、量子ビットアレイの第一の量子ビットに対する制御を行うコマンドデータである。アドレス番号26から43は、量子ビットアレイの第一の量子ビットに隣接する第二の量子ビットに対する制御を行うコマンドデータである。図11では第二の量子ビットは第一の量子ビットに対してX方向に隣接する量子ビットである場合を例示している。図11が示すように、隣接した量子ビットに対して同一の制御を行う場合、量子デバイス制御システム1が実行する制御シーケンスは、対象となる量子ビットを特定するために必要なフィールドのみが異なる制御シーケンスとなる。換言すれば、量子ビットが一次元もしくは二次元形状に並んだ量子ビットアレイにおいて、異なる二つの量子ビットに対して同一の制御を行う場合、制御シーケンスは概ね同一であるが、アクセスする配線の差や量子ビットのバラツキにより、若干異なる制御シーケンスが必要となる。
11 is a diagram showing an example of the
図12は、本発明の第2の実施形態に係る量子デバイス制御システム1Aの構成を示すブロック図である。量子デバイス制御システム1Aにおいて、コマンドメモリ113は、シーケンスメモリ301と、テンプレートメモリ302と、を備えている。
FIG. 12 is a block diagram showing the configuration of a quantum device control system 1A according to a second embodiment of the present invention. In the quantum device control system 1A, the
ホストインタフェース部111は、シーケンスメモリ301と、テンプレートメモリ302との間で、各種信号を相互通信する。
The
シーケンス制御部112は、ホストインタフェース部111からの制御信号に従い、シーケンスメモリ301とテンプレートメモリ302とパラメータメモリ114を参照して制御信号生成部115を駆動するための信号を生成し、制御信号生成部115に送信する。
The
図13Aは、本発明の第2の実施形態に係るシーケンスメモリ301に格納されるデータの一構成例を示す図である。シーケンスメモリ301は、例えば所定のビットごとにアドレスが割り振られたレジスタから構成されている。各アドレスのレジスタにシーケンスデータが格納されている。図13Aでは、シーケンスデータのビット長ごとにアドレスを0から順番に整数で割り振った場合で図示している。シーケンスメモリ301に格納されている各シーケンスデータは、テンプレートメモリ302又はパラメータメモリ114のどちらか一方、又は両方を参照する構成としても良い。後述するようにテンプレートメモリ302に格納されているデータは、テンプレート番号で識別される複数のテンプレートデータセットから構成されており、シーケンスデータがテンプレートメモリ302を参照する際には、参照先となるテンプレート番号を指定する。また、パラメータメモリ114に格納されているデータは、パラメータ番号で識別される複数のパラメータデータセットから構成されており、シーケンスデータがパラメータメモリ114を参照する際には、参照先となるパラメータ番号を指定する。
13A is a diagram showing an example of the configuration of data stored in the
図13Bは、本発明の第2の実施形態に係るテンプレートメモリ302に格納されるデータの一構成例を示す図である。テンプレートメモリ302は、テンプレート番号で識別される複数のテンプレートデータセットから構成されている。図13Bでは、テンプレートメモリ302は、テンプレート番号1とテンプレート番号2の2つのテンプレートデータセットから構成されているとして図示した。テンプレートメモリ302に格納されている各テンプレートデータセットは、例えば所定のビットごとにアドレスが割り振られたレジスタから構成されている。各アドレスのレジスタにテンプレートデータが格納されている。図13Bでは、テンプレートデータのビット長ごとにアドレスを0から順番に整数で割り振った場合で図示している。テンプレートメモリ302に格納されている各テンプレートデータは、パラメータメモリ114を参照する構成としても良い。
FIG. 13B is a diagram showing an example of the configuration of data stored in the
図13Cは、本発明の第2の実施形態に係るパラメータメモリ114に格納されるデータの一構成例を示す図である。パラメータメモリ114は、パラメータ番号で識別される複数のパラメータデータセットから構成されている。パラメータメモリ114に格納されている各パラメータデータセットは、例えば所定のビットごとにアドレスが割り振られたレジスタから構成されている。各アドレスのレジスタにパラメータデータが格納されている。図13Cでは、パラメータデータのビット長ごとにアドレスを0から順番に整数で割り振った場合で図示している。
FIG. 13C is a diagram showing an example of the configuration of data stored in the
シーケンスメモリ301は、量子デバイス制御システム1Aが実行する量子計算の概略シーケンスを格納する。概略シーケンスは、制御シーケンスのうち、対象となる量子ビットを特定するために異なるフィールド以外のフィールドから構成されるシーケンスである。
The
テンプレートメモリ302は、量子ビットアレイ内の各量子ビットに共通なコマンドを格納することが可能である。例えば、テンプレートメモリ302は、量子デバイス制御システム1Aが実行する量子計算を複数のブロックに分割した際に、分割された小規模の量子計算を実行するための制御シーケンスをテンプレートとして格納する。
The
さらに具体例を挙げれば、量子デバイス制御システム1Aが実行する量子計算は1量子ビットに対する演算と隣接する2量子ビットに対する演算に分割するとした場合、テンプレートメモリ302は、1量子ビットに対する演算を実行するための制御シーケンスを第一のテンプレートとして格納すると共に、隣接する2量子ビットに対する演算を実行するための制御シーケンスを第二のテンプレートとして格納する。
As a further concrete example, if the quantum computation performed by quantum device control system 1A is divided into an operation on one quantum bit and an operation on two adjacent quantum bits,
本発明の別の観点では、テンプレートメモリ302は、量子デバイス120内の量子ビットを複数の組に分割し、分割された組ごとに、1量子ビットに対する演算を実行するための制御シーケンスをテンプレートとして格納する構成としても良い。例えば、量子デバイス120内の量子ビットを、隣接する量子ビットの数で複数の組、即ち、1つの量子ビットに隣接する量子ビットの組と、2つの量子ビットに隣接する量子ビットの組と、3つの量子ビットに隣接する量子ビットの組と、4つの量子ビットに隣接する量子ビットの組と、等に分割し、分割された組ごとに1量子ビットに対する演算を実行するための制御シーケンスをテンプレートとして格納する構成としても良い。これにより、分割された組ごとに制御シーケンスの差を設けることが可能となる。
In another aspect of the present invention, the
パラメータメモリ114は、シーケンスメモリ301若しくはテンプレートメモリ302に格納されるデータの一部を補完するデータを格納する。例えば、パラメータメモリ114は、各量子ビットに固有な変数を格納しており、シーケンスメモリ301若しくはテンプレートメモリ302はパラメータメモリ114を参照することで、シーケンスデータ若しくはテンプレートデータを構成する。
次に、図13A~13Cに示したシーケンスメモリ301とテンプレートメモリ302とパラメータメモリ114の一例について詳しく説明する。
Next, an example of the
図13Aに示したシーケンスメモリ301のアドレス番号0からアドレス番号7は、それぞれパラメータメモリ114のパラメータ番号3からパラメータ番号10を参照している。例えばシーケンスメモリ301のアドレス番号0はパラメータメモリ114のパラメータ番号3を参照し、当該パラメータデータは、バイアス電圧供給線143(VL1s)の電圧値をパラメータとして備えている。
シーケンスメモリ301のアドレス番号8とアドレス番号9は、共にテンプレートメモリのテンプレート番号1を参照しており、またそれぞれパラメータメモリ114のパラメータ番号1とパラメータ番号2を参照している。テンプレートメモリのテンプレート番号1は、バイアス電圧切り替えスイッチマトリクス140を切り替える一連のシーケンス及び演算用高周波生成部駆動コマンドが格納されているが、切り替える信号線の番号や演算用高周波生成部を駆動するためのパラメータ(高周波の振幅や位相等)については制御対象とする量子ビットによって異なるためパラメータ化されており、テンプレートデータのうち該当するビットには無効なデータ(ダミーデータ)が格納されており、該当するビットはパラメータメモリ114に切り出される構成となっている。
パラメータメモリのパラメータ番号1とパラメータ番号2は、切り替える信号線の番号や演算用高周波生成部を駆動するためのパラメータが、制御対象となる量子ビット毎に格納されている。例えばパラメータメモリのパラメータ番号1は第一の量子ビットに対して制御する場合のパラメータが格納されており、パラメータメモリのパラメータ番号2は第二の量子ビットに対して制御する場合のパラメータが格納されている。例えば、テンプレートメモリのアドレス0において、10ビット目から13ビット目までの4ビットのビットエリアがパラメータ化されているとした場合、パラメータメモリのパラメータ番号1、アドレス番号0は、テンプレートデータのうちアドレス番号0の10ビット目から13ビット目までの4ビットのビットエリアに値0を書き込むことを意味する。
Parameter
上記ではパラメータメモリ114のデータでテンプレートメモリ302を補完するとして説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、パラメータメモリ114は更に別の図示しない第二のパラメータメモリを参照するとして、第二のパラメータメモリの値を利用してパラメータメモリ114データを補完し、さらにその値を利用してテンプレートメモリ302を補完する構成とすることも可能である。例えば、パラメータメモリ114は量子演算のパラメータ(回転演算子の回転量等)を備えており、第二のパラメータメモリは量子演算のパラメータと制御信号のパラメータ(RF信号印加時間等)との対応表を備えている。これにより、量子デバイス制御システム1Aの構成の自由度やパラメータ設定の柔軟性を高めることが可能である。
In the above, it has been described that the
本発明の別の観点では、制御デバイス110は図示しない演算部を備えており、パラメータメモリ114のデータを演算部に送信し、当該データに対する演算結果でテンプレートメモリ302を補完する構成とすることも可能である。例えば、パラメータメモリ114は量子演算のパラメータ(回転演算子の回転量等)を備えており、演算部は量子演算のパラメータから制御信号のパラメータ(RF信号印加時間等)を算出する。これにより、量子デバイス制御システム1Aの構成の自由度やパラメータ設定の柔軟性を高めることが可能である。
In another aspect of the present invention, the
先述したように、量子ビットが一次元もしくは二次元形状に並んだ量子ビットアレイにおいて、異なる二つの量子ビットに対して同一の制御を行う場合、制御シーケンスは概ね同一であるが、アクセスする配線の差や、量子ビットのバラツキにより、若干異なる制御シーケンスが必要となる。本実施例では、量子デバイス制御システム1Aが実行する量子計算を複数のブロックに分割した際に、分割された小規模の量子計算を実行するための制御シーケンスをテンプレートとしてテンプレートメモリ302に格納し、各量子ビットに固有なパラメータはパラメータメモリ114を参照する構成とする。例えば、量子デバイス制御システム1Aにおいて、上記コマンドメモリが概略シーケンスを格納するシーケンスメモリ301と、上記量子ビットアレイ内の各量子ビットに共通なコマンドを格納するテンプレートメモリ302と、を備え、上記シーケンス制御部112は、上記概略シーケンスを上記シーケンスメモリ301から取得し、上記シーケンス制御部112は、上記シーケンスメモリ301から取得した上記概略シーケンスのうち、上記各量子ビットに共通なコマンドを上記テンプレートメモリ302から取得する。これにより、異なる量子ビットに対する演算に必要な制御シーケンスを格納するメモリの一部を共通化することができ、制御デバイス110が備えるメモリ量を削減することが可能であると共に、ホストPCから制御デバイス110に送信するデータ量を削減することが可能となる。
As mentioned above, in a quantum bit array in which quantum bits are arranged in a one-dimensional or two-dimensional shape, when the same control is performed on two different quantum bits, the control sequence is generally the same, but due to differences in the wiring to be accessed and variations in the quantum bits, slightly different control sequences are required. In this embodiment, when the quantum computation performed by the quantum device control system 1A is divided into multiple blocks, the control sequence for executing the divided small-scale quantum computation is stored as a template in the
また、本実施例では各量子ビットに固有な変数をパラメータメモリ114に格納している。そのため実施例1と同様、各量子ビットに固有なパラメータで、バラツキの経時変化により制御シーケンスを変更する必要があるパラメータをパラメータメモリ114に格納し、キャリブレーションによりパラメータメモリ114に格納されているデータを書き換えるように構成することが可能であり、素子特性変化の補正であるキャリブレーションに必要なパラメータの変更を低処理負荷で実現しながら制御信号を生成する量子デバイス制御システムを提供することが可能となる。
In addition, in this embodiment, variables specific to each quantum bit are stored in
また、上記テンプレートメモリ302は、上記量子デバイス制御システム1Aが実行する量子計算を複数のブロックに分割した際に、分割された小規模の量子計算を実行するための制御シーケンスをテンプレートとして格納する。これにより、分割した複数のブロックのそれぞれの量子計算についての制御シーケンスをテンプレートとして格納することができる。
Furthermore, when the quantum computation executed by the quantum device control system 1A is divided into a plurality of blocks, the
また、上記分割は、上記量子デバイス制御システム1Aが実行する量子計算を、1量子ビットに対する演算と、隣接する2量子ビットに対する演算への分割であり、上記テンプレートメモリ302は、1量子ビットに対する演算を実行するための制御シーケンスを第一のテンプレートとして格納すると共に、隣接する2量子ビットに対する演算を実行するための制御シーケンスを第二のテンプレートとして格納する。これにより、分割された組ごとに異なるテンプレートを用いて制御シーケンスにおける量子計算が可能となる。
The above division is a division of the quantum computation executed by the quantum device control system 1A into an operation on one quantum bit and an operation on two adjacent quantum bits, and the
実施例3では、量子デバイス制御システム1は信号測定部401を制御デバイス110の外部に備える構成とした。なお、実施例3において、前述した実施例との相違点を主に説明し、前述した実施例と同じ構成には同じ符号を付し、それらの説明は省略する。
In Example 3, the quantum
図14は、本発明の第3の実施形態に係る量子デバイス制御システム1Bの構成を示すブロック図である。量子デバイス制御システム1Bは、ホストPC100と、制御デバイス110と、量子デバイス120と、信号測定部401と、を備えている。また制御デバイス110は、ホストインタフェース部111と、シーケンス制御部112と、コマンドメモリ113と、パラメータメモリ114と、制御信号生成部115と、を備えている。信号測定部401は、例えばオシロスコープ、デジタイザ、スペクトラムアナライザなどの測定装置を備えている。信号測定部401は、室温環境、室温環境よりは低温な環境、もしくは極低温環境のいずれに配置しても良い。
FIG. 14 is a block diagram showing the configuration of a quantum
ホストPC100は、信号測定部401と相互通信を行う。
The
信号測定部401は、量子デバイス120から量子演算部出力信号121を受信する。信号測定部401は、量子デバイス120から受信した量子演算部出力信号121に対して測定を行う。ホストPC100は、ホストインタフェース101を介して測定結果を信号測定部401から受信する。
The
このように、本実施例では、量子デバイス制御システム1Bが、ホストPC100と、上記シーケンス制御部112と上記コマンドメモリ113と上記パラメータメモリ114とを備える制御デバイス110と、上記量子ビットアレイを備える量子デバイスと、信号測定部401と、を備え、上記信号測定部116は、ホストPC100からの指令に基づき、上記量子ビットアレイから出力される信号を測定する。したがって、本実施例によれば、信号測定部401として高性能な測定装置を備える構成が可能であり、例えばキャリブレーションの精度を高めることが可能である。また、多様な測定装置を信号測定部401として利用可能であることから、量子デバイス制御システム1Bの構成の自由度を高めることが可能である。
Thus, in this embodiment, the quantum
実施例4では、量子デバイス制御システム1は制御部601が信号測定部116を制御する構成とした。なお、実施例4において、前述した実施例との相違点を主に説明し、前述した実施例と同じ構成には同じ符号を付し、それらの説明は省略する。
In Example 4, the quantum
図15は、本発明の第4の実施形態に係る量子デバイス制御システム1Cの構成を示すブロック図である。 FIG. 15 is a block diagram showing the configuration of a quantum device control system 1C according to a fourth embodiment of the present invention.
制御デバイス110は、ホストインタフェース部111と、制御部601と、コマンドメモリ113と、パラメータメモリ114と、制御信号生成部115と、信号測定部116と、を備えている。
The
制御部601は、実施例1におけるシーケンス制御部112と同等の機能を備える。つまり、ホストインタフェース部111からの制御信号に従い、コマンドメモリ113及びパラメータメモリ114を参照して制御信号生成部115を駆動するための信号を生成し、制御信号生成部115に送信する。
The
また制御部601は、信号測定部116との間で相互通信する。
The
信号測定部116は、制御部601からの指令に従い、量子デバイス120から受信した量子演算部出力信号121に対して測定を行う。信号測定部116は、制御部601からの指令に従い、その測定結果を制御部601に送信する。制御部601は、信号測定部116から受信した測定結果に基づき、パラメータメモリ114の所定のレジスタ領域の値の書き換えを行う。
The
本実施例におけるキャリブレーションのフローチャートの一例は図9と同一である。しかしながら、制御部601が信号測定部116の制御を司る点が実施例1と異なる。
An example of a calibration flow chart in this embodiment is the same as that shown in FIG. 9. However, it differs from the first embodiment in that the
つまり、ステップ202において、ホストPC100は制御部601に対して信号測定の指令を送信する。制御部601はホストPC100から受信した指令に基づき、信号測定部116に対して、量子演算部出力信号121を測定する指令を送信する。信号測定部116は指令に従い、量子演算部出力信号121を測定する。制御部601は、信号測定部116に対して、測定結果の伝送を指令する。信号測定部116は指令に従い、測定結果を制御部601に対して返送する。制御部601は、測定結果をホストPC100に返送する。
That is, in
本発明の別の観点では、ホストPC100のキャリブレーション開始指令に基づき、制御部601がキャリブレーションのフローを司る構成とすることも可能である。
In another aspect of the present invention, it is also possible to configure the
図16は、本実施例におけるキャリブレーションのフローチャートの別の一例を示す図である。 FIG. 16 shows another example of a calibration flow chart in this embodiment.
ホストPC100は、制御部601にキャリブレーション開始の指令を送信する(ステップ200)。制御部601は、ホストPC100から当該指令を受信するとキャリブレーションのフローを開始する。
The
制御部601は、バイアス電圧生成部の電圧設定パラメータを変更し、所定のバイアス電圧供給線143における印加電圧の設定値を所定の値に変更する制御を行う(ステップ201)。次に制御部601は、信号測定部116に対して量子演算部出力信号121を測定する指令を送信し、測定結果を信号測定部116から受信する(ステップ202)。制御部601は、電圧スキャンを終了するか判定を行う(ステップ203)。電圧スキャンを終了しない場合(ステップ203;No)、出力電圧の設定値を所定の値だけ変更を行い、ステップ201から再度実行を行う。電圧スキャンを終了する場合(ステップ203;Yes)、制御部601は、ステップ201における電圧の設定値及びステップ202における取得したデータを基に、電圧出力値の最適設定値を決定する(ステップ204)。制御部601は、決定した電圧出力値の最適設定値をパラメータメモリのうち当該バイアス電圧生成部の電圧設定パラメータを格納するレジスタに書き込む(ステップ205)。最後に制御部601は、キャリブレーションが終了した旨の通知をホストPC100に送信する。これにより、当該バイアス電圧生成部の電圧設定パラメータのキャリブレーションは終了である。
The
このように、本実施例では、量子デバイス制御システム1Cにおいて、ホストPC110と、制御部601と上記コマンドメモリ113と上記パラメータメモリ114と信号測定部116とを備える制御デバイス110と、上記量子ビットアレイを備える量子デバイスと、を備え、上記制御部601は上記シーケンス制御部112を備え、上記信号測定部116が、上記制御部601からの指令に基づき、上記量子ビットアレイから出力される信号を測定する。したがって、本実施例によれば、制御部601が信号測定部116を制御することにより、ホストPC100と制御デバイス110との間の通信量を削減することができると共に、ホストPC100における処理負荷を低減することが可能である。
Thus, in this embodiment, the quantum device control system 1C comprises a
以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、シーケンス制御部112、コマンドメモリ113、パラメータメモリ114をホストPC100に設け、制御デバイス200の制御信号生成部115に信号を出力してもよい。この場合、制御デバイス200を簡素な構成として各実施例と同様の機能を実現することができる。
Although the embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These new embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and modifications can be made without departing from the spirit of the invention. For example, the
これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。実施の形態中で説明された構成要素は、例えばASIC(Application Specific Integrated Circuit)のような専用設計されたハードウェアにより実現されてもよいし、FPGA(Field-Programmable Gate Array)のようなプログラマブルなハードウェアにより実現されてもよい。また、少なくとも一部の機能をホストPC上で動作するソフトウェアが担っていてもよい。 These embodiments and variations are within the scope and spirit of the invention, and are included in the scope of the invention and its equivalents as described in the claims. The components described in the embodiments may be realized by specially designed hardware such as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), or by programmable hardware such as an FPGA (Field-Programmable Gate Array). In addition, at least some of the functions may be performed by software running on a host PC.
上記実施例によれば、実用的な量子コンピュータが実現可能となるため、消費エネルギーが少なく、炭素排出量を減らし、地球温暖化を防止、持続可能な社会の実現に寄与することができる。 The above-mentioned embodiment makes it possible to realize a practical quantum computer, which consumes less energy, reduces carbon emissions, prevents global warming, and contributes to the realization of a sustainable society.
1:量子デバイス制御システム、1A~1C:量子デバイス制御システム、100:ホストPC、101:ホストインタフェース、110:制御デバイス、111:ホストインタフェース部、112:シーケンス制御部、113:コマンドメモリ、114:パラメータメモリ、115:制御信号生成部、116:信号測定部、117:量子デバイス制御信号、120:量子デバイス、121:量子演算部出力信号、131:量子ドットアレイ印加バイアス電圧制御線、132:RF信号線、140:バイアス電圧切り替えスイッチマトリクス、141:バイアス電圧切り替えストローブ、142:バイアス電圧制御レジスタ設定値、143:バイアス電圧供給線、200~206:ステート、210:入出力画面、211:ボタン、212:表示エリア、301:シーケンスメモリ、302:テンプレートメモリ、401:信号測定部、500:コマンドフォーマット、501:レート情報指定フィールド(RATE)、502:操作情報指定フィールド(OPR)、503:外部パラメータ選択フィールド(EXT)、504:パラメータ指定フィールド(PARAM)、601:制御部 1: quantum device control system, 1A to 1C: quantum device control system, 100: host PC, 101: host interface, 110: control device, 111: host interface unit, 112: sequence control unit, 113: command memory, 114: parameter memory, 115: control signal generation unit, 116: signal measurement unit, 117: quantum device control signal, 120: quantum device, 121: quantum operation unit output signal, 131: quantum dot array applied bias voltage control line, 132: RF signal line, 140: bias voltage switching switch matrix, 1 41: Bias voltage switching strobe, 142: Bias voltage control register setting value, 143: Bias voltage supply line, 200-206: State, 210: Input/output screen, 211: Button, 212: Display area, 301: Sequence memory, 302: Template memory, 401: Signal measurement section, 500: Command format, 501: Rate information specification field (RATE), 502: Operation information specification field (OPR), 503: External parameter selection field (EXT), 504: Parameter specification field (PARAM), 601: Control section
Claims (14)
量子操作のシーケンスを制御するシーケンス制御部と、
前記量子ビットアレイ内の各量子ビットを制御するコマンドを格納するコマンドメモリと、
前記量子ビットアレイ内の各量子ビットに固有な変数を格納するパラメータメモリと、を備え、
前記シーケンス制御部は、前記コマンドメモリから前記コマンドを取得するとともに、前記各量子ビットに固有な変数を前記パラメータメモリから取得して前記量子操作のシーケンスを構築し、
前記パラメータメモリは、各量子ビットの特性に応じて書き換え可能である、
ことを特徴とする量子デバイス制御システム。 A quantum device control system for controlling quantum operations in a quantum bit array in which a plurality of quantum bits are arranged one-dimensionally or two-dimensionally,
A sequence control unit that controls a sequence of quantum operations;
a command memory for storing commands for controlling each quantum bit in the quantum bit array;
a parameter memory for storing variables specific to each quantum bit in the quantum bit array;
The sequence control unit acquires the command from the command memory and acquires a variable specific to each quantum bit from the parameter memory to construct the sequence of the quantum operation;
The parameter memory is rewritable according to the characteristics of each quantum bit.
A quantum device control system comprising:
前記コマンドメモリは概略シーケンスを格納するシーケンスメモリと、前記量子ビットアレイ内の各量子ビットに共通なコマンドを格納するテンプレートメモリと、を備え、
前記シーケンス制御部は、前記概略シーケンスを前記シーケンスメモリから取得し、
前記シーケンス制御部は、前記シーケンスメモリから取得した前記概略シーケンスのうち、前記各量子ビットに共通なコマンドを前記テンプレートメモリから取得する、
ことを特徴とする量子デバイス制御システム。 2. The quantum device control system according to claim 1,
the command memory comprises a sequence memory for storing a general sequence; and a template memory for storing commands common to each quantum bit in the quantum bit array;
The sequence control unit acquires the outline sequence from the sequence memory,
the sequence control unit acquires, from the template memory, a command common to each of the quantum bits, from the outline sequence acquired from the sequence memory;
A quantum device control system comprising:
前記量子ビットアレイに対する制御信号を生成する制御信号生成部を備え、
前記量子操作のシーケンスは、前記制御信号生成部を駆動する信号のシーケンスであり、
前記シーケンス制御部は、前記制御信号生成部を駆動する信号を生成すると共に、前記制御信号生成部に送信する、
ことを特徴とする量子デバイス制御システム。 2. The quantum device control system according to claim 1,
a control signal generation unit that generates a control signal for the quantum bit array;
the sequence of quantum operations is a sequence of signals that drive the control signal generator;
The sequence control unit generates a signal for driving the control signal generation unit and transmits the signal to the control signal generation unit.
A quantum device control system comprising:
前記制御信号生成部は、前記量子ビットアレイを駆動する、バイアス電圧駆動信号若しくはRF信号のうち少なくとも一つを生成する、
ことを特徴とする量子デバイス制御システム。 4. The quantum device control system according to claim 3,
The control signal generation unit generates at least one of a bias voltage drive signal and an RF signal that drives the quantum bit array.
A quantum device control system comprising:
前記量子ビットアレイ内の各量子ビットに固有な変数は、前記バイアス電圧駆動信号を指定するパラメータ、若しくは前記RF信号を指定するパラメータのうち少なくとも一つである、
ことを特徴とする量子デバイス制御システム。 5. The quantum device control system according to claim 4,
The variable specific to each quantum bit in the quantum bit array is at least one of a parameter specifying the bias voltage drive signal or a parameter specifying the RF signal.
A quantum device control system comprising:
前記バイアス電圧駆動信号を指定するパラメータは、バイアス電圧、若しくはバイアス電圧切り替えストローブ、若しくはバイアス電圧制御レジスタ設定値である、
ことを特徴とする量子デバイス制御システム。 6. The quantum device control system according to claim 5,
The parameter specifying the bias voltage drive signal is a bias voltage, a bias voltage switching strobe, or a bias voltage control register setting value.
A quantum device control system comprising:
前記RF信号を指定するパラメータは、RF信号の振幅、若しくは位相、若しくは周波数、若しくは持続時間、若しくはエンベロープのうち少なくとも一つである、
ことを特徴とする量子デバイス制御システム。 6. The quantum device control system according to claim 5,
The parameter specifying the RF signal is at least one of the amplitude, phase, frequency, duration, and envelope of the RF signal;
A quantum device control system comprising:
前記テンプレートメモリは、前記量子デバイス制御システムが実行する量子計算を複数のブロックに分割した際に、分割された小規模の量子計算を実行するための制御シーケンスをテンプレートとして格納する、
ことを特徴とする量子デバイス制御システム。 3. The quantum device control system according to claim 2,
The template memory stores, as a template, a control sequence for executing the divided small-scale quantum computations when the quantum computation to be executed by the quantum device control system is divided into a plurality of blocks.
A quantum device control system comprising:
前記分割は、前記量子デバイス制御システムが実行する量子計算を、1量子ビットに対する演算と、隣接する2量子ビットに対する演算への分割であり、
前記テンプレートメモリは、1量子ビットに対する演算を実行するための制御シーケンスを第一のテンプレートとして格納すると共に、隣接する2量子ビットに対する演算を実行するための制御シーケンスを第二のテンプレートとして格納する、
ことを特徴とする量子デバイス制御システム。 9. The quantum device control system according to claim 8,
The division is a division of a quantum computation executed by the quantum device control system into an operation for one quantum bit and an operation for two adjacent quantum bits;
The template memory stores a control sequence for executing an operation on one quantum bit as a first template, and stores a control sequence for executing an operation on two adjacent quantum bits as a second template.
A quantum device control system comprising:
信号測定部を備え、
前記信号測定部は前記量子ビットアレイから出力される信号を測定する、
ことを特徴とする量子デバイス制御システム。 2. The quantum device control system according to claim 1,
A signal measuring unit is provided,
The signal measurement unit measures a signal output from the quantum bit array.
A quantum device control system comprising:
前記各量子ビットに固有な変数を所定の範囲内でスキャンし、
前記信号測定部の測定結果に基づき、前記パラメータメモリのデータを書き換える、
ことを特徴とする量子デバイス制御システム。 11. The quantum device control system according to claim 10,
Scanning a variable specific to each quantum bit within a predetermined range;
rewriting data in the parameter memory based on a measurement result of the signal measurement unit;
A quantum device control system comprising:
ホストPCと、
前記シーケンス制御部と前記コマンドメモリと前記パラメータメモリと前記信号測定部とを備える制御デバイスと、
前記量子ビットアレイを備える量子デバイスと、を備え、
前記信号測定部は、ホストPCからの指令に基づき、前記量子ビットアレイから出力される信号を測定する、
ことを特徴とする量子デバイス制御システム。 11. The quantum device control system according to claim 10,
A host PC;
a control device including the sequence control unit, the command memory, the parameter memory, and the signal measurement unit;
a quantum device comprising the quantum bit array;
The signal measurement unit measures a signal output from the quantum bit array based on a command from a host PC.
A quantum device control system comprising:
ホストPCと、
前記シーケンス制御部と前記コマンドメモリと前記パラメータメモリとを備える制御デバイスと、
前記量子ビットアレイを備える量子デバイスと、
信号測定部と、を備え、
前記信号測定部は、ホストPCからの指令に基づき、前記量子ビットアレイから出力される信号を測定する、
ことを特徴とする量子デバイス制御システム。 11. The quantum device control system according to claim 10,
A host PC;
a control device including the sequence control unit, the command memory, and the parameter memory;
A quantum device comprising the quantum bit array;
A signal measuring unit,
The signal measurement unit measures a signal output from the quantum bit array based on a command from a host PC.
A quantum device control system comprising:
ホストPCと、
制御部と前記コマンドメモリと前記パラメータメモリと信号測定部とを備える制御デバイスと、
前記量子ビットアレイを備える量子デバイスと、を備え、
前記制御部は前記シーケンス制御部を備え、
前記信号測定部は、前記制御部からの指令に基づき、前記量子ビットアレイから出力される信号を測定する、
ことを特徴とする量子デバイス制御システム。 11. The quantum device control system according to claim 10,
A host PC;
a control device including a control unit, the command memory, the parameter memory, and a signal measurement unit;
a quantum device comprising the quantum bit array;
The control unit includes the sequence control unit,
The signal measurement unit measures a signal output from the quantum bit array based on a command from the control unit.
A quantum device control system comprising:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/JP2023/025545 WO2025013193A1 (en) | 2023-07-11 | 2023-07-11 | Quantum device control system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/JP2023/025545 WO2025013193A1 (en) | 2023-07-11 | 2023-07-11 | Quantum device control system |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2025013193A1 true WO2025013193A1 (en) | 2025-01-16 |
Family
ID=94214836
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/JP2023/025545 Pending WO2025013193A1 (en) | 2023-07-11 | 2023-07-11 | Quantum device control system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| WO (1) | WO2025013193A1 (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10872021B1 (en) * | 2017-12-06 | 2020-12-22 | Rigetti & Co, Inc. | Testing hardware in a quantum computing system |
| US20210182725A1 (en) * | 2019-12-13 | 2021-06-17 | Intel Corporation | Apparatus and method including scalable representations of arbitrary quantum computing rotations |
-
2023
- 2023-07-11 WO PCT/JP2023/025545 patent/WO2025013193A1/en active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10872021B1 (en) * | 2017-12-06 | 2020-12-22 | Rigetti & Co, Inc. | Testing hardware in a quantum computing system |
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