控制電子系統

控制電子系統負責將演算法指令轉換為施加到量子位元上的物理訊號。對於超導量子位元，這通常涉及產生具有特定頻率、幅度、相位和持續時間的微波脈衝。這些脈衝的精度極高，通常達到奈秒甚至更短的時間尺度。控制系統還必須能夠同步操作多個量子位元，並可能包含即時反饋和校準算法。一個高效的量子控制系統必須滿足以下多個嚴苛的需求：

操控量子態: 產生精確定時、定形、定幅和定相的微波脈衝信號。這些脈衝作用於量子位元，驅動其在布洛赫球(Bloch sphere)上進行旋轉，從而實現量子態的初始化、疊加態製備、量子邏輯閘操作(如單量子位元旋轉閘 Hadamard， X， Y， Z 和兩量子位元糾纏閘 CNOT， CZ)以及執行完整的量子算法序列。
讀出量子態: 量子計算結束時，需要測量每個量子位元的最終狀態(是\( \ket{0} \)還是\( \ket{1} \))。這通常通過向與量子位元耦合的讀出諧振腔發送一個探測微波脈衝，並測量透射或反射信號的相位和幅度變化來實現。由於讀取信號非常微弱(單光子量級)，需要低雜訊放大器將其放大到可檢測水平，然後由電子設備進行採集和數字化處理。
低延遲與實時反饋 (Low Latency & Real-time Feedback): 許多先進的量子協議，如量子糾錯 (QEC)、動態校準 (dynamic calibration) 和主動重置 (active reset)，都極度依賴此能力。控制系統必須具備根據中間測量結果，在極短的延遲內（通常為數百奈秒）完成古典計算，並即時調整後續的脈衝序列或發出反饋操作。整個反饋迴路必須在量子位元的相干時間內完成，以有效修正錯誤或補償系統漂移，這對控制系統的處理速度和反應能力提出了嚴格要求。
多通道同步 (Multi-channel Synchronization): 一個大型量子處理器包含數十至數百個量子位元，所有的多量子位元操作都依賴於各個控制和讀取通道之間的高度協調。因此，控制系統必須能夠精確地同步生成與採集所有通道的訊號，確保所有操作的一致性與時序準確性。
可擴展性 (Scalability): 隨著量子位元數量增加，所需的控制通道數量也隨之劇增，這對控制系統的物理尺寸、成本和整體複雜性都提出了巨大挑戰。一個理想的控制系統架構，必須能夠支持平滑擴展 (smooth scaling)，以適應未來更大規模量子處理器的需求，而不會導致成本或系統管理的複雜度呈指數級增長。
高精度與穩定性 (High Precision and Stability): 所有施加在量子位元上的控制脈衝，其各項參數——包含波形 (shape)、時序 (timing)、頻率 (frequency)、幅度 (amplitude) 與相位 (phase)——都必須極其精確且穩定。任何微小的偏差都可能導致量子操作的錯誤累積，從而降低量子閘的保真度。其中，時間精度通常要求達到奈秒 (ns) 甚至皮秒 (ps) 的等級。此外，不同通道間的脈衝也必須高度同步，以確保多量子位元操作的準確性。
頻寬： 需要足夠的頻寬來產生快速的脈衝邊緣和複雜的波形。
低雜訊： 控制訊號中的雜訊會直接影響量子位元的相干性和操作保真度。
低溫整合（Cryo-CMOS）： 將部分控制電子（特別是靠近QPU的部分）整合到低溫環境中，可以顯著減少從室溫到QPU的佈線數量，降低熱負載，並減少訊號延遲和失真。然而，在極低溫下設計和運行複雜的CMOS電路本身就是一個巨大的技術挑戰，包括元件性能變化、功耗管理和散熱等。
軟體整合與校準： 控制硬體需要與高層軟體緊密整合，並需要複雜的自動化校準程序來優化脈衝參數並補償硬體缺陷。

控制電子系統正從使用通用實驗室儀器向專用化、整合化和低溫化方向發展。Cryo-CMOS技術被認為是解決大規模量子電腦控制瓶頸的關鍵途徑之一，它有望將控制功能更靠近量子位元，從而提高性能並降低系統複雜性。然而，這也意味著控制系統的設計必須與QPU和低溫系統的設計更加緊密地耦合。

為了滿足上述需求，現代量子控制系統通常整合了以下關鍵硬體：

任意波形產生器(Arbitrary Waveform Generators， AWGs): 這是產生控制脈衝的核心。高性能 AWG 能夠以極高的時間分辨率(取樣率達 GSa/s)和幅度分辨率(如16位)生成使用者定義的任意複雜波形。通常具有多個輸出通道，並支持觸發和序列播放功能。這些波形經過上變頻後驅動量子位元。AWG透過優化時間波形，可以解決相干控制、量子糾纏操控等應用中的技術問題。
FPGA(Field-Programmable Gate Arrays，現場可程式化邏輯閘陣列): FPGA 是實現實時控制邏輯的關鍵。它們被編程來執行高速的脈衝序列生成、參數計算、條件分支、觸發管理、數據採集與處理、以及與其他儀器的同步。因其可重構性、並行處理、和低延遲特性，使其非常適合量子控制的實時性要求。 FPGA在量子計算中用於接口和控制硬體，執行量子糾錯、量子位元控制和數據處理等複雜任務。它們在混合量子-古典計算系統中尤其有價值。
數位/類比轉換器 (DACs/ADCs):

數位類比轉換器(Digital-to-Analog Converters， DACs): 將FPGA或AWG 輸出的數字波形數據轉換為模擬電壓信號。其分辨率和速度直接影響控制脈衝的精度。
類比數位轉換器(Analog-to-Digital Converters， ADCs): 將來自量子位元的經過放大的模擬讀取信號轉換為數字數據，供FPGA或後續處理單元分析。其取樣率和分辨率決定了讀取速度和精度。

射頻/微波源與混頻器 (RF/Microwave Sources & Mixers)： 產生微波載波訊號，並與AWG輸出的基帶脈衝進行混頻（IQ調製），以產生在量子位元共振頻率上的控制脈衝。

上/下變頻模組 (Up/Down-conversion Modules): 由於AWG 通常產生的是基帶或中頻(IF)信號，需要使用混頻器(Mixers)和電子振盪器(Local Oscillators， LO)將這些信號上變頻(Up-conversion)到量子位元操作所需的千兆赫茲(GHz)微波頻段。同樣，讀取時需要將來自量子位元的 GHz 信號下變頻(Down-conversion) 到ADC 可以處理的頻率。這些模組的雜訊性能和線性度非常重要。

量子控制電子設備領域正在經歷快速演進，體現出三大關鍵趨勢。首先，控制系統正從早期依賴通用儀器拼湊組合的方式，轉變為採用專門設計、高度整合的量子控制平台。在量子計算研究的初期階段，研究人員通常使用市面上可獲得的通用 AWG、DAC/ADC、信號源等儀器來搭建控制系統。傳統的測試測量儀器公司如 Keysight Technologies、Rohde & Schwarz等也在提供適用於量子研究的高頻 AWG、VNA 和信號分析儀等單個儀器。然而，隨著量子位元數量的增加和量子算法複雜性的提升，管理和同步大量離散儀器變得極其困難，成為系統擴展和性能提升的瓶頸。更重要的是，量子計算對控制系統提出了特殊要求，例如超低延遲的實時反饋、複雜的條件邏輯執行以及皮秒級的跨通道同步，這些很難用標準的現成儀器高效實現。這種需求推動了 Quantum Machines、Qblox、Zurich Instruments、SpinQ 等專業供應商的崛起，他們開發出整合了AWG、數字化儀、FPGA 處理單元以及專用控制軟體和韌體(如QM的QUA 語言或ZI的LabOne Q框架)的整體解決方案。這些專用平台大大簡化了實驗室的系統搭建和編程工作，並使執行更複雜、更依賴實時響應的量子協議成為可能。

其次，將實時古典計算能力(通常基於FPGA 或GPU處理器)直接整合到控制迴路中，正變得日益重要，甚至是不可或缺。這對於實現量子糾錯、動態校準等高級應用尤為關鍵。量子態極其脆弱，且控制參數會隨時間漂移。量子糾錯方案要求系統能夠快速測量輔助量子位元的狀態(稱為 syndrome)，進行經典的解碼計算以判斷發生了何種錯誤，然後迅速將對應的修正操作應用到數據量子位元上，整個過程必須在量子位元的相干時間內完成。同樣，動態校準也需要在實驗過程中實時測量量子位元的參數(如頻率漂移)，並即時調整控制脈衝的參數加以補償。這些任務都需要在奈秒到微秒的時間尺度內完成大量的古典計算和決策。因此，現代控制系統的核心是強大的 FPGA 或專用處理器，甚至開始探索與 GPU 等高性能計算單元的緊密整合(如NVIDIA DGX Quantum)，將古典計算能力盡可能地靠近量子硬體，實現低延遲的實時處理。這一趨勢標誌著量子計算正走向一種硬體層面深度融合的混合量子-古典計算架構。

另一個前沿方向是低溫整合 (Cryo-CMOS)，即將部分控制電子整合到低溫環境中，以解決大規模量子電腦的佈線瓶頸，降低熱負載和訊號延遲。然而，這也意味著控制系統的設計必須與 QPU 和低溫系統的設計更加緊密地耦合。

總體來看，現代量子控制系統的發展趨勢是整合化、模組化和軟體定義化。供應商傾向於提供包含硬體和配套軟體(韌體、API、高級編程框架)的完整解決方案，以簡化系統整合和實驗編程。系統架構越來越強調實時處理能力和低延遲反饋，以支持更高級的量子計算協議和糾錯需求。

供應商

供應商 (Supplier)	系統/主要產品	核心技術	主要特點 (Key Features)	目標應用
Quantum Machines (QM) (以色列)	OPX+/OPX1000	Processor-based (HPU/FPGA)	極低的實時反饋延遲(約 224ns)，強大的脈衝級編程語言 QUA，將實時序列生成、測量處理和古典計算緊密集成，易於擴展。	通用量子控制, 量子糾錯(QEC), 實時反饋, AI輔助校準
NVIDIA / QM (美國/以色列)	DGX Quantum	GPU + QM OPX (Processor-based)	整合高性能古典計算(GPU)與量子控制，實現低延遲的混合量子-古典計算架構。	QEC, AI輔助量子算法/校準, 混合計算
Qblox (荷蘭)	Cluster System	FPGA-based, Modular	模組化設計，透過高速同步協議(SYNQ/LINQ)確保皮秒級同步；支持高達 18.5 GHz 的直接微波合成，架構易於擴展至數百量子位元。	超導、自旋、NV色心等各類量子位元的控制與讀取
Zurich Instruments (ZI) (瑞士)	QCCS (HDAWG, UHFQA, PQSC)	FPGA-based, Multi-instrument	提供完整儀器套件，具高通道密度、低觸發延遲(<50ns)，以及強大的 LabOne Q Python 框架，實現多儀器精密同步。	通用量子控制, 核磁共振(NMR/EPR), 半導體測試
SpinQ (本源量子) (中國)	SPINQ QCM System	FPGA-based, Modular	支持4-8 GHz頻段，提供開放API和自動化校準軟體，旨在提供高性價比的解決方案。	超導量子位元控制、測量與校準
Keysight (美國)	AWGs, VNAs, Signal Analyzers	通用儀器技術	提供高性能、高精度的單項測試與測量儀器。	基礎量子研究, 元件特性分析
Rohde & Schwarz (德國)	Signal Generators, Analyzers	通用儀器技術	提供各類可用於量子控制與訊號分析的相關測試與測量設備。	基礎量子研究, 元件特性分析

供應商與產品範例	產品圖例 (圖片皆取自官網)
Quantum Machines OPX1000
NVIDIA Grace Hopper
Qblox
Zurich Instruments
Keysight

王培儒硬體導論