카이저슬라우테른 공과대학, 양자 컴퓨터 개발 가속화

카이저슬라우테른 공과대학은 양자 컴퓨터(QC)를 구축하는 여러 방법 중 라이맥스 원(Rymax One)을 통해 큐비트 역할을 하는 단일 원자 배열을 생성하는 방법을 사용한다. 이 방법은 각 원자를 정확한 위치에 이동 및 고정해야 한다. 다만, 원자를 레이저 빔 중앙에 위치시키고 고정하기 위해서는 레이저의 미세한 움직임을 광학 핀셋처럼 하나하나 작동시켜야 하기 때문에 많은 프로그래밍과 방대한 양의 데이터 처리능력을 필요로 했다.

카이저슬라우테른 공과대학은 이러한 문제를 해결하기 위해 스펙트럼 인스트루먼트의 새로운 DDS 펌웨어 옵션을 도입했다. 이 펌웨어 옵션은 대용량 데이터 배열을 계산하는 대신, 시작 및 중지 매개변수를 정의하는 간단한 명령으로 레이저 위치를 제어할 수 있도록 한다. 이를 통해 카이저슬라우테른 공과대학은 기존의 복잡하고 오랜 시간이 소요되는 과정을 간소화하여 양자 컴퓨터 개발 속도를 크게 증가시켰다.

더불어 스펙트럼 AWG를 채택한 이유로 뛰어난 아날로그 성능과 대용량 메모리, 빠른 전송 속도로 양자 연구에 적합한 솔루션 제공 등을 조나스 연구원은 꼽았다. 특히, 빠른 전송 속도는 파형 재배치가 계산되어 카드에 업로드될 때까지 실험을 멈춰야 하기 때문에 중요한데, 이는 스펙트럼 카드가 다른 제품과 차별화되는 점이기도 하며 AMO/QC 커뮤니티에서 널리 사용되는 주된 이유다. 고속 AWG는 수십 mSec 정도의 지연 시간 또는 큰떨림 지터라는 본질적인 문제가 있어 시스템 수정 및 복구 시 부정확성이 발생하고 처리 시간이 길어진다. 그러나 DDS 펌웨어를 사용하면 스펙트럼 AWG는 20µ Sec 내에 명령을 생성할 수 있으며, 명령에 지연이 거의 없게 된다.

스펙트럼의 AWG 카드 M4i.6631-x8은 한 실험에서 사용되어 원자를 가두는 핀셋을 생성하는 AOD(Acousto-Optic Deflector, 음향 광학 디플렉터)를 구동하는 데 쓰였다. 현재 설정에서는 1MHz의 변화로 100μs 이내에 원자가 있는 핀셋이 약 8μm 이동하며, S자형 주파수 램프로 발열을 최소화한다. 이 시간 동안 신호의 진폭은 빛의 세기 변화를 보상하기 위해 선형적으로 변한다.

DDS는 단일 고정 주파수 레퍼런스 클록에서 임의의 주기적인 구형파를 생성하는 방법으로 다양한 신호 생성 애플리케이션에 사용된다. 스펙트럼의 새로운 옵션을 통해 사용자는 하드웨어 출력 채널로 라우팅할 수 있는 AWG 카드당 23개의 DDS 코어를 정의할 수 있다. 각 DDS 코어는 주파수, 진폭, 위상, 주파수 슬로프 및 진폭 슬로프에 대해 프로그래밍할 수 있다. DDS 출력은 외부 트리거 이벤트 또는 6.4ns의 분해능을 가진 프로그래밍 가능한 타이머로 동기화할 수 있다.

DDS 모드에서 AWG는 다중 톤 DDS 신호의 기반이 된다. 장치에 내장된 4기가바이트 메모리와 고속 DMA 전송 모드를 사용하면 초당 1000만 명령을 내리는 속도로 DDS 명령을 스트리밍할 수 있다. 또한 간단하고 사용하기 쉬운 DDS 명령으로 S자형 등 사용자 정의 슬로프와 FM 및 AM과 같은 다양한 변조방식을 수행하는 등 유연성을 제공한다.