Erweiterung der Multi-Qubit-Funktionalitäten eines FPGA-basierten Kontrollsystems für supraleitende Qubits

by Mr Mehmed Güler, Robert Gartmann

Thursday May 12, 2022, 2:00 PM → 2:45 PM Europe/Berlin

Vortrag zur Masterarbeit von Mehmed Güler zum Thema: Erweiterung der Multi-Qubit-Funktionalitäten eines FPGA-basierten Kontrollsystems für supraleitende Qubits

 

Die Manipulation und Auswertung der Zustände von supraleitenden Quantenbits (Qubits)
erfordert hochpräzise Mikrowellenpulse, sowie eine leistungsfähige Auswerteelektronik.
Am IPE wird ein heterogenes System zur Erzeugung, Erfassung und Auswertung die-
ser Pulse entwickelt. Das System dient als eine elektronische Schnittstelle zu mehreren
Qubits und bildet somit eine essenzielle Komponente zukünftiger Quantencomputer, die
aus tausenden Qubits bestehen können. Quantengatter bilden die elementaren Opera-
tionen von Quantencomputern. Durch eine Wechselwirkung zwischen Qubits können
Zwei-Qubit-Gatter realisiert werden, die in Kombination mit Ein-Qubit-Gattern beliebige
Rechenoperationen ermöglichen. Das am IPE entwickelte System implementiert sogenann-
te digitale Einheitszellen, wobei jede Einheitszelle für die Kontrolle eines physikalischen
Qubits zuständig ist. Doch Zwei-Qubit-Wechselwirkungen wurden durch dieses System
bisher nicht systematisch unterstützt.
In dieser Arbeit wurde daher ein Konzept erarbeitet und implementiert, um die Wechsel-
wirkung zwischen den Qubits systematisch abzubilden. Ein pulsgenerierendes Hardware-
Modul wurde realisiert, das durch die gezielte Anwendung von Kopplungspulsen eine
Interaktion zwischen Qubits aktivieren kann und somit Zwei-Qubit-Gatter ermöglicht. Ein
konfigurierbares Routing-Modul erlaubt die flexible Verbindung des Systems zu den Qubits,
wodurch die Kompatibilität unterschiedlicher Quantenchip-Architekturen gewährleistet
wird. Für einen koordinierten Ablauf der Operationen auf mehreren Qubits ist zudem
eine gegenseitige Verständigung unter den digitalen Einheitszellen erforderlich. Hierfür
wurde ein Synchronisierungsmechanismus und eine Datenkommunikation zwischen den
digitalen Einheitszellen implementiert. Durch die verschiedenen Erweiterungen konnte
die Funktionalität des vorhandenen Systems signifikant erweitert werden. Insbesondere
werden jetzt eine Vielzahl von Multi-Qubit-Interaktionen und -Experimenten unterstützt,
die vorher nur schwer oder gar nicht abbildbar waren.

 

Vortragssprache: Deutsch

 

---

Lecture to the master thesis from Mehmed Güler on the Topic: Extension of the multi-qubit features of an FPGA-based control system for superconducting qubits

 

Manipulating and evaluating the states of superconducting quantum bits (qubits) requires
high-precision microwave pulses, as well as high-performance evaluation electronics. At
IPE, a heterogeneous system is developed for the generation, acquisition and evaluation of
these pulses. The system serves as an electrical interface to multiple qubits and thus forms
an essential component of future quantum computers, which may consist of thousands
of qubits. Quantum gates form the elementary operations of quantum computers. By an
interaction between qubits, two-qubit gates can be realized, which in combination with
one-qubit gates allow arbitrary computational operations. The system developed at IPE im-
plements so-called digital unit cells, where each unit cell is responsible for controlling one
physical qubit. However, two-qubit interactions have not been systematically supported
so far.
In this work, therefore, a concept was devised and implemented to support the interaction
between qubits systematically. A pulse-generating module was implemented that activates
an interaction between qubits by the application of coupling pulses, making two-qubit
gates possible. A configurable routing module allows flexible connection to the qubits,
ensuring compatibility of different quantum chip architectures. Two-qubit operations also
require the digital unit cells to interact with each other. For this purpose, a synchronization
mechanism and data communication between the unit cells have been realized. The various
enhancements have significantly extended the functionality of the existing system. In
particular, a variety of multi-qubit interactions and experiments are now supported that
were previously difficult or impossible to map.

 

Lecture language: German