DDS技术实现量子计算中的微波离子控制

中国北京，2025年10月15日——全球量子科学家正致力于推动量子计算机向着更可靠、更强大的方向迈进。在此进程中，德国初创企业 eleQtron 推出了一款具有突破意义的量子计算机，其创新之处在于采用微波辐射而非传统激光操控单个离子阱量子比特(trapped ion qubits），从而带来了更简化的设计，并大幅降低了冷却需求与整体功耗。这一重要进展的实现，得益于采用了 Spectrum 仪器的任意波形发生器。该发生器基于先进的直接数字频率合成技术（Direct Digital Synthesis，DDS），每路输出可提供多达20个正弦波载波，为执行精确的量子操作提供了关键支持。

eleQtron卓越的MAGIC量子处理器采用微波技术，显著降低了对冷却和电力的需求

eleQtron是锡根大学的衍生企业，近期成功交付了一台搭载其专利技术的 MAGIC（(MAgnetic Gradient Induced Coupling）量子处理器。有别于其它量子处理器，MAGIC的独特之处在于采用微波辐射而非激光操控量子比特。

系统最初在高真空中通过激光烧蚀生成一串镱离子（171Yb+），单个寄存器中最多可容纳30个离子，每个离子都会被作为一个量子比特。实现量子算法的关键在于利用磁场和振荡电场构建一个保罗阱( 四极离子陷阱）。多数设计方案在此阶段使用激光来控制和操纵量子比特，以执行量子门操作。然而，激光法必须精准靶向每一个离子且功耗较高。

相比之下，微波技术在实现上更为简洁，其功耗约为激光解决方案的五分之一。通过将高频振荡源与 Spectrum 仪器的 DDS 输出卡结合，并采用单边带（SSB）混频器产生约 12.64 GHz 的信号。借助磁场引入的塞曼效应，通过对信号进行 3MHz 至 5 MHz 的增量调制，可实现对每个离子的低串扰“寻址”，且该方法易于与芯片离子阱集成。DDS 输出卡在此负责生成多音信号，以实现对量子比特的独立控制与操作。

在量子研究领域，Spectrum 仪器的M4i.6631 任意波形发生器（AWG）获得了广泛的应用，该设备能够生成几乎任意波形。

在DDS模式下，该板卡每通道可产生多达20个独立正弦波载波，实现快速简便的实验控制。

当原有AWG硬件性能达到瓶颈时，eleQtron团队选择与Spectrum仪器合作。为实现对每个量子比特的精确控制，所需生成的信号必须在幅度、相位偏移、脉冲长度及频率上独立调节，以满足实现目标拉比频率的要求。该频率是决定量子操作速度的关键指标。这些需求对任意波形发生器的性能提出了极高要求。

eQtron团队最终选用了M4i.66xx系列16位任意波形发生器（AWG），该系列在全球量子研究领域享有盛誉。这些PCIe板卡提供1、2或4个同步通道，最高输出率达1.25 GS/s，并配备大容量板载内存，支持分段存储与多波形回放。借助Spectrum优化的驱动程序，系统可实现高达2.8 GB/s的数据传输速率，并支持最多8张板卡同步运行。结合附加的DDS固件，每通道可同时输出多达20个正弦波核心。每个DDS核心均可通过简单指令对频率、幅度、相位、频率斜率及幅度斜率进行独立的编程，从而在6.4ns的分辨率下实现正弦波的极速切换。这不仅有助于扩展可寻址的量子比特数量，也为构建更复杂量子电路所需的处理器架构提供了灵活性。

关于Spectrum仪器

Spectrum仪器公司成立于1989年，采用独特的模块化理念设计并生产了200多种数字化仪和信号发生器产品，其中包括PC卡（PCIe和PXIe）以及独立的以太网设备（LXI）。在过去的35年间，Spectrum仪器已经赢得了全球众多客户的信赖，产品也被众多行业领军企业和多所知名大学广泛使用。Spectrum仪器总部位于德国汉堡附近，旗下产品均可享受长达五年的质保，以及来自工程师团队的卓越服务。更多详情，请访问公司官网www.spectrum-instrumentation.com

审核编辑 黄宇