凯泽斯劳滕理工大学通过TS-AWG全新DDS固件选件加速量子计算机开发

news2025/1/13 15:37:53

凯泽斯劳滕理工大学（Technische Universität Kaiserslautern），位于德国莱茵兰-普法尔茨州，是一所国立理工科大学。该大学成立于1970年7月13日，最初是特里尔/凯泽斯劳滕兄弟大学的一部分。1975年，凯泽斯劳滕理工大学从特里尔与凯泽斯劳滕兄弟大学中分离出来，独立成为今天的凯泽斯劳滕理工大学。2003年，该大学被正式命名为Technische Universität Kaiserslautern，是一所具有强烈研究导向和国际声誉的理工科大学，提供了丰富的学习计划和科研机会。

创建量子计算机（QC）的方法有很多，凯泽斯劳滕理工大学在Rymax One合作中采用的方法就是创建一个由单个原子组成的阵列，并将这些原子作为量子位使用。然而，其挑战在于每个原子的定位必须十分精准。因此，凯泽斯劳滕理工大学使用了激光，并将每个原子都有效地锁定在激光束中心，如同光镊阵列一样。然而，对每个激光束的移动进行逐点编程需要大量的编程和数据。

Rymax One QC：由凯泽斯劳滕理工大学（Technische Universität Kaiserslautern）参与的一个量子计算机开发项目，采用光学镊子将单个镱原子悬浮在真空中，使其处于里德伯态。Rymax合作专注于量子优化问题，例如最大独立集问题，以及诸如QAOA或量子退火等算法来寻找解决方案。这使他们能够为“模拟”量子计算创建优化的硬件。该设计的一个关键点是动态控制紫外激光的光，这需要对不同的射频信号进行完全控制。

光镊阵列Optical Tweezer Array：光镊阵列是一种基于光镊技术的先进装置，用于同时对多个微粒进行三维操纵。光镊技术自1986年由Ashkin等人发明以来，已经得到了迅速的发展。最初的光镊只能控制单个微粒，而阵列光镊的出现使得同时操纵多个微粒成为可能。该技术在生物医学、物理、化学等多个研究领域中有着广泛的应用，例如在细胞操纵、微粒组装、光学测量等领域。由于其高精度和灵活性，光镊阵列被视为一种非常有价值的工具，尤其在微纳尺度的研究中。

为此，TS Spectrum全新的直接数字频率合成（DDS）固件选项，通过几个简单的命令就能控制激光的位置。这些命令定义了开始和终止时的参数，因此避免了大量耗时的数据计算。

物理学博士 Jonas Witzenrath 表示：“该产品对推动我们的研究进展产生了巨大的影响。全新的DDS选项不仅使我们取得了快速的进展，还能简化系统的复杂性，使我们能够更加专注于研究。接下来，我们将通过DDS固件的动态特性对静态二维阵列中的原子进行重新排序。”此外，Jonas将使用任意波形发生器(AWG)来生成理想的紫外激光脉冲，以精确控制量子位之间的交互。”

物理学博士Jonas Witzenrath在位于德国凯泽斯劳滕理工大学的量子实验装置前

"DDS已经成为我们项目中的重要工具。此外，我们还发现DDS灵活的特性使它还适用于实验室的其他功能，所以这也节省了我们购买脉冲激光和调制生成器等其它设备的费用。为了开发DDS更多的功能，我们与TS Spectrum展开了密切的合作。目前，我们也正在努力扩大DDS功能在实验室研究中的其他用途，使其发挥最大潜力。”

他补充到：“TS Spectrum的AWG卡模拟性能卓越、内存大且传输速度非常快，因此成为了量子研究的首选解决方案。传输速度对于实验而言非常重要，因为在计算重新排列的波形并将其传输到卡上这段时间实验必须暂停。TS Spectrum的AWG卡凭借卓越的传输速度，使其在同类产品中脱颖而出，这也是该产品在AMO/QC社群中被广泛使用的主要原因。此外，AWG卡的操作速度也尤为重要。快速AWG存在数十毫秒的固有延迟或较大的抖动问题，这会导致系统在校正和重新校正时不准确或需要更长的处理时间。DDS固件使Spectrum的AWG能够在20微秒内生成命令，得益于固有的定时，这些命令实际上是无抖动的。”

声光偏转器（红色箭头所示）将一个激光束分成多个可控的单束激光，用于捕获和持有原子

DDS是通过单个固定频率参考时钟生成任意周期正弦波的方法。该技术被广泛使用于信号生成类应用中。用户能够通过德思特Spectrum提供的DDS选项，定义每张AWG卡上的23个DDS核心。这些核心随后会被发送至硬件输出通道。用户可以对每个DDS核心（正弦波）的频率、幅度、相位、频率斜率和幅度斜率进行编程。DDS输出能够与外部触发事件或与分辨率为6.4ns的可编程定时器同步。

在DDS模式下，AWG可作为多音DDS信号的发生器。该设备内置4GB内存和快速DMA传输模式，使DDS命令的传输速度高达每秒1000万条。这种独特的能力让用户能够通过简单易用的DDS命令灵活地执行用户自定义斜率（例如S形）以及各种调制类型（例如FM和AM）。

在一个实验示例中，TS SpectrumM4i.6631-x8 AWG卡被用于驱动一个声光偏转器（AOD）以产生一个光镊来捕获原子。AOD是通过一个约为82MHz的射频信号驱动。在当前设置中，射频信号每改变1MHz，就会使镊子沿S形频率斜坡在100μs内移动8μm以最小化加热效应。在此期间，信号的幅度将线性地改变以补偿光强度的变化。