QUBIT

Fizyczna emulacja stanu kubitu

QUBIT to stanowisko oparte na układach FPGA, przeznaczone do sterowania i emulowania środowiska kwantowego w czasie rzeczywistym. Zachowanie wirtualnego kubitu jest prezentowane graficznie na sferze Blocha.

Stan kubitu jest opisywany dwoma kątami: THETA (θ) oraz PHI (φ). Kąt THETA określa poziom superpozycji, natomiast kąt PHI wyznacza fazę modelowanego kubitu. Podobnie jak w rzeczywistych systemach kwantowych, wartości tych kątów nie mogą być ustawiane bezpośrednio — użytkownik ustawia jedynie stan początkowy kubitu na |0⟩, a następnie za pomocą serii impulsów o określonej długości wykonuje odpowiednie obroty wektora stanu, aby uzyskać zamierzony stan końcowy.

Użytkownik może zmieniać wektor stanu za pomocą impulsów cyfrowych, obserwować generowane sygnały wyjściowe oraz monitorować fazę, superpozycję i wpływ zakłóceń.

• praca i wizualizacja w czasie rzeczywistym,
• sterowanie stanem za pomocą impulsów cyfrowych z dokładnością 1 µs,
• ciągły monitoring parametrów kubitu,
• możliwość obserwacji sygnałów na oscyloskopie,
• funkcje emulowania szumu wewnętrznego i zewnętrznego oraz zjawiska dekoherencji.

Optyczny system sterowania kubitem

Emulator QUBIT został rozbudowany o rzeczywisty, laserowy system optyczny, który odwzorowuje sposób sterowania optycznego stosowany w prawdziwych pułapkach jonowych. Dzięki temu możliwe jest poznanie szerokiego zakresu problemów, z jakimi mierzą się projektanci i operatorzy systemów kwantowych, jeszcze zanim przystąpią do budowy właściwego sprzętu.

System optyczny wykorzystuje między innymi:

• laser DPSS 532 nm (zielony) o mocy 300-500 mW,
• dwa modulatory akustooptyczne (AOM) wraz ze sterownikami,
• szybkie detektory światła Hamamatsu S10317-1,
• programowalny układ FPGA (generator GENMET) sterujący modulatorami AOM.

Wiązka światła emitowana przez laser przechodzi przez filtr absorpcyjny oraz płytkę półfalową λ/2, ustawiającą polaryzację liniową. Następnie światło przechodzi przez polaryzacyjny dzielnik wiązki (PBS), pierwszy modulator AOM1, płytkę ćwierćfalową λ/4 (zmieniającą polaryzację na kołową) oraz soczewkę kolimującą. Układ pracuje w konfiguracji podwójnego przejścia (double-pass), co pozwala bardzo szybko i precyzyjnie włączać oraz wyłączać wiązkę laserową.

Druga część układu, zbudowana na module AOM2, służy do szybkiego adresowania jednego z dwóch detektorów podłączonych do wejść sterujących emulatora QUBIT — THETA lub PHI. W danym momencie można sterować tylko jednym parametrem emulowanego kubitu.

Sterowanie impulsami laserowymi

Kanał wyjściowy OUT1 generatora GENMET steruje modulatorem AOM1 i służy do kluczowania wiązki lasera w celu formowania impulsów światła o zadanej długości, z dokładnością jednej mikrosekundy. Kanał OUT2 steruje modulatorem AOM2 i odpowiada za odchylanie wiązki, aby skutecznie adresować wybrany detektor światła.

Przykładowo, aby ustawić stan kubitu na THETA = 46° i PHI = 75°, emulator wykonuje następującą sekwencję:

• wyłączenie sygnału aktywnego AOM1, aby wyłączyć wiązkę lasera w układzie podwójnego przejścia,
• wyłączenie sygnału aktywnego AOM2, aby ustawić adresowanie detektora THETA,
• wygenerowanie impulsu światła o długości 9000-9100 µs, resetującego kąt THETA do zera (stan |0⟩),
• wygenerowanie impulsu światła o długości 460 µs, zmieniającego kąt THETA o 46°,
• włączenie stałego sygnału aktywnego AOM2, aby ustawić adresowanie detektora PHI,
• wygenerowanie impulsu światła o długości 9000-9100 µs, resetującego kąt PHI (fazę kubitu) do zera,
• wygenerowanie impulsu światła o długości 750 µs, zmieniającego kąt PHI o 75°.

Sekwencja ta jest inicjowana za pomocą pakietów UDP wysyłanych z poziomu skryptu Python bezpośrednio do urządzenia GENMET sterującego modulatorami AOM.

Wyniki i dokładność sterowania

Testy laserowego sterowania emulatorem QUBIT dały pozytywne rezultaty, potwierdzając słuszność zaproponowanej koncepcji. Impulsy światła laserowego generowane przez zbudowany system optyczny pozwalają zmieniać kąty THETA i PHI z dokładnością 0,1°, umożliwiając tym samym wykonanie dowolnej operacji na sterowanym kubicie.

Osiągnięcie precyzji kątowej na poziomie 0,1° wymaga wysokiej jakości lasera o minimalnych fluktuacjach oraz stabilności termicznej wszystkich komponentów optycznych i elektronicznych. Układ osiąga pełną stabilność termiczną około 15 minut po włączeniu zasilania. Istotne jest również zapewnienie niskiego i stabilnego oświetlenia zewnętrznego, ponieważ wpływa ono na progi pracy czujników optycznych.

Kierunki rozwoju

Platforma umożliwia obecnie sterowanie dwoma parametrami (THETA i PHI) pojedynczego kubitu, przy czym w danym momencie można sterować tylko jednym z nich — ze względu na zastosowanie pojedynczego lasera. Zaplanowane są dalsze prace rozwojowe, mające na celu m.in. objęcie sterowaniem więcej niż jednego kubitu.

W tym celu planowana jest zamiana modulatora AOM używanego do adresowania detektorów na deflektor akustooptyczny (AOD), umożliwiający swobodne odchylanie wiązki lasera w szerszym zakresie. Dzięki temu możliwe byłoby zaadresowanie większej liczby detektorów — przykładowo, adresowanie czterech detektorów pozwoliłoby na niezależne sterowanie dwoma kubitami, otwierając drogę do testowania bramek kwantowych działających na wielu kubitach.

Publikacje naukowe

Publikacja w Computer Science – DOI: 10.7494/csci.2024.25.4.6289

„Optical control system for quantum bit emulator based on green laser, AOM modulators and FPGA technology” – DOI 10.24425/opelre.2025.157332