本系列前兩篇文章分別介紹了量旋科技第一代標準化、量產(chǎn)型的超導量子芯片“少微”，和量子芯片設計工具EDA“天乙”。在一臺完整的超導量子計算機中，量子芯片負責執(zhí)行計算任務，接下來則由測控系統(tǒng)負責對量子比特進行精確操控，才能完成量子邏輯門的操作和量子算法運算。

如果將量子芯片視為計算機的“心臟”，測控系統(tǒng)便是保障“心臟”正常運轉(zhuǎn)的必要工具。

具體來講，測控系統(tǒng)通過精確地生成和發(fā)送微波脈沖，來對量子芯片上的量子比特進行操作，以此執(zhí)行量子邏輯門的操作和量子算法運算，并確保計算的正確性，從而發(fā)揮出量子計算指數(shù)級加速的性能。

因此，一款高精度、高可靠性的測控系統(tǒng)就顯得尤為重要。

研發(fā)難度大、生產(chǎn)成本高

打造高性價比超導測控系統(tǒng)

然而，設計并實現(xiàn)一款高性能的超導量子測控系統(tǒng)并非易事。超導量子測控中的高比特數(shù)和高頻信號等特性，同時也導致其在研發(fā)和生產(chǎn)的過程中面臨諸多挑戰(zhàn)：

電磁波信號頻率高，研發(fā)難度大。相比普通核磁量子測控系統(tǒng)數(shù)十MHz的電磁波信號，超導量子測控系統(tǒng)主要發(fā)射和采集的電磁波信號為4 GHz至8 GHz的超高頻信號。在射頻系統(tǒng)中，頻率越高，研發(fā)和生產(chǎn)的難度越大。

標定速度快，系統(tǒng)穩(wěn)定性要求高。隨著超導量子的比特數(shù)量增多，用戶需要使用超導測控系統(tǒng)對每個比特的參數(shù)性能進行快速標定。如果測控系統(tǒng)穩(wěn)定性不夠高，影響標定速度，將可能出現(xiàn)后面的比特還沒有完成標定，前面已經(jīng)標定好的比特又出現(xiàn)了偏差，需要重新校準的情形。

生產(chǎn)成本高昂。高頻的電子學器件價格不菲，控制一個超導量子比特的成本就高達數(shù)十萬元，當比特數(shù)目增加的時候，測控系統(tǒng)的價格隨之呈線性增長。在比特數(shù)目向幾百比特發(fā)展的今天，如何控制測控系統(tǒng)的成本，也成為一項越來越重要的挑戰(zhàn)。

兼顧性能與成本的考量，以“更快、更準、更便捷”為核心目標，量旋科技的科學家與工程師們歷經(jīng)3年研發(fā)迭代與升級，自主研發(fā)出一套極具性價比的超導量子測控系統(tǒng)。

FPGA硬件加速

測控更快更準，性能提升顯著

2023年4月，量旋科技正式對外發(fā)布了超導量子測控系統(tǒng)——織女星Vega。

在超導量子計算中，測控人員可以利用織女星系列產(chǎn)品發(fā)射和采集典型值為4 GHz至8 GHz的射頻脈沖，操控和讀取量子比特狀態(tài)，進而實現(xiàn)對超導量子比特參數(shù)的標定、量子邏輯門的操作和量子算法的運算。

織女星測控系統(tǒng)的高性價比前提是良好的測控性能，主要體現(xiàn)在測控效率與測控精度上。

前面提到，超導測控系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)之一是用戶需要對量子比特進行快速標定。因此，測控速度必須要足夠快，效率要足夠高。

為了提升比特測控效率，量旋科技努力縮短了硬件的固有延時，提高了測控系統(tǒng)標定效率的上限。

織女星測控系統(tǒng)采用了基于FPGA的硬件加速，利用幾十個FPGA芯片的強大算力進行分布式邊緣計算。FPGA是一種性能更高的微處理器，與傳統(tǒng)的微處理器（例如CPU）不同，F(xiàn)PGA可以實現(xiàn)真正的并行計算。在FPGA中，所有的邏輯門都可以同時工作，而不是像微處理器那樣按順序執(zhí)行指令。

量旋科技的工程師們利用分布式邊緣計算的思想，將原本由上位機CPU進行的數(shù)據(jù)分析處理過程轉(zhuǎn)移到測控主板上的FPGA內(nèi)部進行，極大地減小了數(shù)據(jù)在板卡和上位機電腦之間傳輸?shù)暮臅r，顯著地提高了測控系統(tǒng)對量子比特測控的效率。

有了高效的測控系統(tǒng)，標定比特的參數(shù)更快，比特偏移之后也能更快重新標定校準。這意味著，測控效率的提升在一定程度上也為測量精度帶來了保障。

提高測控系統(tǒng)的精準度，不僅要及時糾正偏差，更為關鍵的一環(huán)是對脈沖精度的把控?？椗遣捎昧诵吞枮锳WG-1208的任意波形發(fā)生器，具備優(yōu)于1納秒的同步精度和16位的垂直分辨率，它生成的脈沖波能夠?qū)α孔颖忍剡M行精確的控制。

標準化、自動化系統(tǒng)設計?

操作便捷，易維護易擴展

隨著量子比特數(shù)目的增長，使用者在追求系統(tǒng)性能的同時，對操作的便捷性和硬件體積也提出了更高的要求。例如，希望能夠在原有系統(tǒng)的基礎上方便地擴展，并且測控系統(tǒng)的機身不能過于龐大。

織女星從整體架構和內(nèi)部功能等不同層面著手，兼顧到了使用者的方便和對更多比特數(shù)目進行測控的需求。

從硬件結構上來看，織女星采用了標準化、模塊化的緊湊機身，將產(chǎn)品封裝成1U和3U的模塊化單元，在高度一米八左右的機柜內(nèi)部緊密排列。緊湊的布局使其在方便連線和移動的同時，能夠滿足20比特測控的所有需求。

除硬件集成外，織女星在系統(tǒng)功能上也提升了易用性。例如：開放底層API接口，用于滿足測控人員不同的調(diào)試需求；內(nèi)置網(wǎng)分頻譜功能，方便用戶調(diào)試和標定量子比特參數(shù)；并支持FPGA程序遠程升級。這些功能都有助于操作人員更便捷地對量子比特進行測控。

另一大亮點是系統(tǒng)配備的自動化標定軟件，一些原本需要人工識別的數(shù)據(jù)能夠在軟件內(nèi)自動處理。軟件內(nèi)置了各種判定條件及判定方法，用于判斷數(shù)據(jù)在不同情況下如何進行下一步操作，可以在無人值守的情況下對多個比特進行連續(xù)標定。

這樣的高集成度不僅僅帶來更加便捷的操作體驗，同樣有效減少了系統(tǒng)的復雜性，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定與可靠程度。

值得一提的是，在系統(tǒng)便捷、高集成、可擴展等方面所做出的努力，也意味著用戶潛在使用成本的降低。

從這一角度來看，模塊單元能夠便捷地在標準機柜中進行擴展，方便系統(tǒng)的維護和拆裝，減少了潛在的后續(xù)維護成本；自動化標定程序則有效節(jié)省了人力和時間方面的成本。

這也正是為什么織女星稱得上是一款高性價比測控系統(tǒng)。在測控效率和測控精度等各方面指標均衡的前提下，量旋科技從使用體驗出發(fā)，將系統(tǒng)的效用更大化。

接下來，織女星系統(tǒng)計劃進一步朝著提高集成度、降低系統(tǒng)硬件冗余的方向努力，將當前的信號發(fā)射、混頻、微波源等模塊進一步集成化處理，減小體積，優(yōu)化信噪比。更好地服務于超導量子芯片測試人員、整機集成調(diào)試人員以及量子算法應用的終端用戶。

全鏈條自主研發(fā)

提供多樣化的產(chǎn)業(yè)級量子計算解決方案

基于量旋科技超導量子芯片、測控系統(tǒng)和整機集成的基礎，織女星測控系統(tǒng)對于超導量子計算機的適配性存在絕對優(yōu)勢。配合標準化的超導量子芯片少微，織女星測控系統(tǒng)已完全融入量旋科技20比特超導量子計算機整機生態(tài)體系。

從設計、研發(fā)與生產(chǎn)，到產(chǎn)品交付，目前量旋科技已成功實現(xiàn)超導測控系統(tǒng)中所有模塊的自主研發(fā)生產(chǎn)，并能夠提供一整套完善的解決方案。

這意味著，除一站式提供超導量子計算機一體化整機外，量旋科技也可以分別提供更高性價比的模塊單元和芯片標定調(diào)試、整機集成調(diào)試等多樣化服務。

相信未來隨著技術的進一步升級迭代，包括系統(tǒng)性能和集成度的提升，測控系統(tǒng)將配合超導量子芯片，保障量子計算體系更高效運轉(zhuǎn)，從基礎上確保與推進量子計算在人工智能、金融科技、新能源材料等領域的實際應用。