美国劳伦斯伯克利国家实验室的高级量子测试平台(AQT)为超导量子处理器开源了一个新的电子控制和测量系统，这让这种新兴硬件的工程解决方案更容易获得。超导电路是领先的量子计算技术之一，而量子计算机旨在解决经典计算机无法解决的复杂问题。

AQT的超导量子比特控制系统——简称QubiC——是可定制和模块化的。QubiC的性能数据发表在近期的《IEEE量子工程学报》上。来自伯克利实验室加速器技术和应用物理部(ATAP)的研究人员Gang Huang和Yilun Xu领导了该系统的设计，他们利用了粒子加速器研发中留下来的强大技术遗产。AQT是由美国能源部科学办公室的高级科学计算研究(ASCR)计划资助的。

需要更实惠的量子比特控制

量子信息处理器需要昂贵的电子控制装置来精确操纵量子比特。然而，开发出最大化量子计算机性能的控制硬件既是理论挑战，也是实验挑战。此外，当前量子计算机的相干时间非常短暂，并且大多数商用的电子设备被设计成非量子系统的通用设备。测控硬件的成本、大小和复杂性会随着量子比特数量的增加而增加。这是全球的初创公司和学术研究团体所面临的一个重要障碍。

AQT在伯克利实验室的研究人员正通过为当前和未来的超导处理器设计模块化的控制硬件，并开源了系统的全栈代码来应对这些控制挑战，以便让更广泛的量子信息科学社区可以访问、改进和利用它。

Huang解释说：“较新的控制电子系统并不是为量子控制系统量身定制的。因此，随着处理器正变得越来越复杂，量子研究人员需要购买更多仪器来扩大控制系统。但是控制硬件的成本不应该是线性的或指数级的，这就是我们试图改变的地方。通过从根本上构建一个更容易获得和负担得起的系统，我们真正了解了要进一步集成和尝试扩大设计时底层会发生的事情。”

QubiC集成了一个FPGA(现场可编程门阵列)的RF(射频)系统，该系统能在室温下调制信号以操纵和测量冷却到低温状态的超导量子比特。AQT的低温稀释制冷机“暴雪”达到了非常低的温度，几乎接近于绝对零度。

QubiC基于Python的软件和固件有控制和测量的协议，可以对量子芯片进行表征和基准测试，能优化单量子比特和双量子比特门算法并减少错误。实验结果表明，QubiC执行的量子算法具有很好的同步性和速度，其结果与商业上可用的系统类似且成本更低。

Huang强调说：“我们正在努力提供一种更模块化、更实惠的硬件控制解决方案，在有附加好处的情况下性能会相当或略好于它。但我们不能自己做所有事情，所以通过开放源代码，我们可以找到一个愿意支持、贡献和发展的社区。”

QubiC能与商业和定制设计的电子产品兼容。因此，来自各种国家实验室、初创公司和企业的测试平台用户对使用QubiC的可定制界面来部署他们的项目表现出浓厚的兴趣。

Xu解释说：“开源QubiC系统的完整堆栈能让社区受益，因为有更多的人可以贡献、定制和改进它。作为从一开始就参与其设计的早期职业研究员，我学会了如何整合程从工程到物理再到实验的不同学科。”

利用粒子加速器的技术遗产

AQT控制硬件的研发来自于一个看似不太可能的来源，但它利用了伯克利实验室的起源和91年的历史：粒子加速器。加速器具有多种尺寸和用途，应用包括从紧凑型医疗设备到大型强子对撞机等广泛的研究设施，它们可以加速带电粒子并将其汇集到受控光束中以探索物质和能量。

随着粒子加速器变得越来越强大，对最先进的仪器仪表和控制系统的需求也在增加。能精确稳定粒子束和产生粒子束的精密设备至关重要。由此产生的技术和专门知识可以使许多其他领域受益，例如量子计算等。

Huang和Xu是伯克利加速器控制和仪表(BACI)计划的成员，在控制系统方面的专业知识对ATAP部门的各种工作是至关重要的。BACI得到了美国能源部高能物理办公室通用加速器研发计划的支持，其在为粒子加速器项目开发精密控制和反馈系统方面拥有数十年的历史。BACI项目负责人Derun Li说：“我很高兴能看到以前对加速器控制的投资现在可以进一步被用于开发量子比特控制系统。”

Huang补充道：“粒子加速器是伯克利实验室科学工作的重要组成部分，因此使用先进的基于FPGA的射频控制技术和粒子束工程能帮助我们简化量子硬件的定制化。AQT研究人员和测试平台的用户能够利用开源工具箱，更深入地了解具有成本效益和可扩展性的灵活控制硬件平台。”

打造更开放的测试平台

可扩展量子计算机将需要对当前工具和标准技术进行重大修改，这就是为什么AQT的研究人员率先开发了在伯克利实验室量子计算测试平台项目中使用的开源控制硬件，该项目的灵感来源于对粒子加速器的技术应用。

通过为AQT用户提供对QubiC及其基础设施的全栈访问，将有更多的社区可以使用最先进的超导量子处理器并共同参与其发展，这也可能会使QubiC也与其他的量子计算技术兼容。（编译:Qtech）