Entwicklung eines FPGA Moduls zur Erzeugung und Optimierung von Koppelpulsen bei Qubits

by Mr Moritz Techen

Friday Dec 8, 2023, 11:00 AM → 12:00 PM Europe/Berlin

https://kit-lecture.zoom-x.de/j/61696859115?pwd=WDFYU0VnZGU3a2FiQThmUGtjcHlPUT09 (Zoom)

Vorstellung der Bachelorarbeit von Moritz Techen mit dem Thema: Entwicklung eines FPGA Moduls zur Erzeugung und Optimierung von Koppelpulsen bei Qubits.

Der Vortrag wird über Zoom stattfinden.

Kurzfassung:

Moderne Quantencomputer benötigen eine Vielzahl an Signalleitungen zwischen der Ausleseelektronik und den Qubit-Chips, um die Ansteuerung und Auslese mehrerer gekoppelter Qubits zu ermöglichen. Die Kommunikation mit den Qubits basiert auf Mikrowellenpulsen, die digital von einem FPGA vorgegeben und anschließend über schnelle Digital-zu-Analog Wandler (DACs) generiert werden sollen. Die großen Herausforderungen sind dabei die erforderliche Reaktion auf eine Messung in kürzester Zeit und der hohe Speicherbedarf auf dem FPGA aufgrund der komplexen Pulsformen. In dieser Arbeit wird ein Verfahren für die Generierung und das zeitlich genaue Triggern von Mikrowellenpulsen vorgestellt. Zusätzlich wurden generische, rekonfigurierbare Filter entwickelt, um Verzerrungen durch analoge Elemente in der Ansteuerungskette zu minimieren. Das implementierte FPGA-Modul erlaubt, pro Kanal bis zu 16 Pulse variabler Länge zu speichern. Die Größe des Speichers wurde dabei für eine Gesamtlänge der Pulse von 4 us bei einer Abtastrate von 1 GSPS dimensioniert, bei abweichenden Anforderungen ist die Speichertiefe zur Build Zeit flexibel einstellbar.
Der Ressourcenverbrauch ist auf der verwendeten Entwicklungsplatform mit etwa 10% der verfügbaren LUTs, 15% der verfügbaren Flip-Flops und 1% der verfügbaren DSP-Slices sehr gering. Der implementierte FIR-Filter ist rekonfigurierbar und kann maximal bis zu 2048 Filterkoeffizienten enthalten. Wird der optionale Filter verwendet, liegt die Latenz zwischen Trigger und Output bei 34 Taktzyklen, ohne Filter kann innerhalb eines Taktes auf einen Trigger reagiert werden.

 

Vortragssprache: Deutsch

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Bachelor thesis presentation of Moritz Techen: Development of an FPGA module for the generation and optimization of coupling pulses for qubits

Abstract:

Modern quantum computers require a large number of signal lines between the readout electronics and the qubit chips in order to enable the control and readout of several coupled qubits. Communication with the qubits is based on microwave pulses, which are digitally specified by an FPGA and then generated via fast digital-to-analog converters (DACs). The major challenges here are the required response time to a measurement in the shortest possible way and the high memory requirements on the FPGA due to the complex pulse shapes. In this work, a method for the generation and accurate triggering of microwave pulses is presented. In addition, generic, reconfigurable filters were developed to minimize distortions caused by analog elements in the control chain. The implemented FPGA module allows up to 16 pulses of variable length to be stored per channel. The size of the memory was dimensioned for a total pulse length of 4 us at a sampling rate of 1 GSPS; if requirements differ, the memory depth can be flexibly adjusted at build time.
The resource consumption on the development platform used is very low at around 10% of the available LUTs, 15% of the available flip-flops and 1% of the available DSP slices. The implemented FIR filter is reconfigurable and can contain up to 2048 filter coefficients. If the optional filter is used, the latency between trigger and output is 34 clock cycles; without the filter, it is possible to react to a trigger within one clock cycle.