基于PYNQ RFSoC框架的开源量子位控制器

费米实验室，普林斯顿大学，芝加哥大学等科研机构联合发表了基于PYNQ RFSoC框架的开源量子位控制器-QICK （QuantumInstrumentation Control Kit），能够支持直接合成最高6GHz载波频率的控制脉冲。

QICK包含Xilinx的ZCU111评估板，定制化的固件和软件和一个可选的定制化的模拟前端板。与现成的30W美金以上的多量子位读取和控制设备相比，ZCU111和定制化射频板的系统可以轻松将成本控制在3W美金以内。与其低廉的成本形成鲜明对比的是其出色的性能，比如6GSPS的DAC输出，3 GSPS的ADC采样输入，以及额外的运放、步进衰减器、混频器和本振等。

数字和模拟硬件

QICK是一个多输入，多输出，高性能的控制器，主要用于量子位系统和超导探测器。与传统的控制器相比，其系统更加简单，紧凑和低成本。QICK的硬件包含两个部分，分别为Xilinx ZCU111 RFSoC评估板和射频模拟前端板。

QICK充分发挥高集成度RFSoC FPGA优势。XCZU28DR芯片（图2）集成8路6.5GS/s数模转换器（DACs）和8路4GS/s模数转换器（ADCs）。DAC和ADC模块均包含可配置的IQ数字上/下变频，集成的数控振荡器（NCO），增益矩阵和抽取/插值滤波器，能够轻松地通过AXI接口集成到逻辑中。RFSoC同时集成多个不同的ARM处理器，可以运行不同的软件比如Linux kernel以及PYNQ软件库等。

传统的商用量子位控制器通常具有小于1GHz的模拟带宽，所以RF量子位控制脉冲（典型4-6GHz）需要使用模拟混频器来进行上变频。作为对比，XCZU28DR在第一奈奎斯特区间内可以直接合成最高载频为3GHz的控制脉冲，在第二奈奎斯特区间内可以直接合成最高载频为6GHz的控制脉冲。这消除了混频器杂散，并且无需校准IQ 混频器偏移和增益。

射频模拟前端板包含了超过200个器件，比如运放，混频器，滤波器，本振，开关和驱动等。所有的射频和直流耦合输入输出均通过SMA连接器。射频板将RFSoC的8路DAC输出扩展到RF或者DC耦合的运放和滤波器，如图3所示。每一个DAC输出都连接到一个软件可控的开关，允许用户选择RF输出，或者DC耦合输出。

8路QICK射频输入中的4路用于射频信号，针对4-8GHz信号进行了优化，其余的4路用于直流耦合的输入信号，带宽为1.5GHz，如图4所示。

系统架构和功能

QICK系统的整体架构如图5所示。用户使用QICK Python API（top level）运行量子比特实验，这些实验被发送到RFSoC（second level）并翻译为FPGA级别的指令。RFSoC产生的信号会被QICK射频板（third level）做进一步处理，最后被发送到qubits（bottom level）。量子位测量接着会以相反的顺序将测量结果通过Python API返回给用户。

QICK系统的功能被分为处理器系统（PS）和可编程逻辑（PL），如图6所示。该UltraScale+器件的PS部分是带DDR4的ZYNQ系统，在多核ARM处理器上运行Linux操作系统。PS使用PYNQ库和驱动实现对PL的DMA访问。用户的接口是通过远程web浏览器访问的Jupyter notebooks。PL端的固件主要包含信号产生模块，读取模块以及timed-processor模块，用于实现对时间要求高的功能。PS和PL之间的数据流是通过AXI接口实现的，其中快速的数据传输是通过PL端的DMA逻辑实现的。

性能表现

这里主要讨论信号产生的RF性能，图7展示了使用射频板将IF信号混频上变频到RF信号的原理。由于数字产生的IF可以覆盖3GHz带宽，推荐将本振频率设置在7.5GHz到8.5GHz。射频板上的低通滤波器，可以对8GHz以上的信号实现30dB的衰减。当本振在7.5GHz到8.5GHz，用户可以将脉冲置于3GHz频带内而不会产生谐波，并且具有足够的本振泄露抑制。

图8展示了混频器上变频频谱的演示（没有使用射频板额外的低通滤波器）。这里，一个0.8GHz的IF信号被板子上8.478GHz的本振信号上变频。混频器的频谱非常干净，并且在IF，LO±IF和2*LO±IF处显示了预期的边带杂散，同时在载波的10kHz偏移处测量到-95dBc/Hz的相位噪声。

PYNQ框架助力QICK

PYNQ框架如何使QICK成为可能，再来看一个例子。QICK被用于控制和读取一个用于暗物质检测的3D transmon qubit。读取的脉冲由混频器产生，并上变频，如图9所示。图a和图b展示了获取的脉冲频率和量子位频谱的测量，图c展示了qubitRabi oscillations，图d展示了qubitT1（94us）和T2（122us）的测量，图e插图展示了量子位在基态和激发态时的单次数字化值。

直方图采用双峰高斯分布函数拟合，在没有参数放大的情况下产生94.7% 的保真度，图f展示了30个独立随机序列的RB平均，平均的门保真度为99.93%±0.01%，接近估计的相干限制门保真度99.96%。所有的计算绘图显示均在QICK的PYNQ框架下实现，通过QICK上运行的Jupyter notebook完成完整的数据采集和相应的实验。充分体现了PYNQ框架在数据分析等应用中的巨大优势。

责任编辑：haq