Arquitetura Distribuída para Controle de Qubits Supercondutores Baseada em FPGA

Circuitos quânticos que utilizam técnicas de feedback em tempo real (como reset ativo e medição durante o circuito) são uma ferramenta poderosa para computação quântica na era NISQ. Essas técnicas são cruciais para a implementação de protocolos de correção de erros e podem reduzir os requisitos de recursos de certos algoritmos quânticos. A realização dessas capacidades requer controle clássico flexível e de baixa latência. Desenvolvemos uma arquitetura de processador personalizada baseada em FPGA para QubiC, uma plataforma de código aberto para controle de qubits supercondutores. Nossa arquitetura é distribuída por natureza e consiste em um banco de núcleos leves, cada um configurado para controlar um pequeno número (1-3) de canais de geradores de sinal. Cada núcleo é capaz de executar pulsos de controle e leitura parametrizados, bem como realizar fluxo de controle arbitrário com base nos resultados da medição no meio do circuito. Também desenvolvemos uma pilha de compilador modular e uma representação intermediária específica de domínio para programar o processador. Nossa representação permite que os usuários especifiquem circuitos utilizando abstrações tanto a nível de porta quanto de pulso, e inclui construções de fluxo de controle de alto nível (por exemplo, blocos if-else e loops). A pilha de compilador é projetada para se integrar com ferramentas de software quântico e linguagens de programação, como TrueQ, pyGSTi e OpenQASM3. Neste trabalho, vamos detalhar o projeto tanto do processador quanto da pilha de compilador e demonstrar suas capacidades com um experimento de teleportação de estado quântico usando qubits transmon no Testbed Quântico Avançado do LBNL.