中國(guó)北京，2025年10月15日——全球量子科學(xué)家正致力于推動(dòng)量子計(jì)算機(jī)向著更可靠、更強(qiáng)大的方向邁進(jìn)。在此進(jìn)程中，德國(guó)初創(chuàng)企業(yè) eleQtron 推出了一款具有突破意義的量子計(jì)算機(jī)，其創(chuàng)新之處在于采用微波輻射而非傳統(tǒng)激光操控單個(gè)離子阱量子比特(trapped ion qubits），從而帶來(lái)了更簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)，并大幅降低了冷卻需求與整體功耗。這一重要進(jìn)展的實(shí)現(xiàn)，得益于采用了 Spectrum 儀器的任意波形發(fā)生器。該發(fā)生器基于先進(jìn)的直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（Direct Digital Synthesis，DDS），每路輸出可提供多達(dá)20個(gè)正弦波載波，為執(zhí)行精確的量子操作提供了關(guān)鍵支持。

eleQtron卓越的MAGIC量子處理器采用微波技術(shù)，顯著降低了對(duì)冷卻和電力的需求

eleQtron是錫根大學(xué)的衍生企業(yè)，近期成功交付了一臺(tái)搭載其專利技術(shù)的 MAGIC（(MAgnetic Gradient Induced Coupling）量子處理器。有別于其它量子處理器，MAGIC的獨(dú)特之處在于采用微波輻射而非激光操控量子比特。

系統(tǒng)最初在高真空中通過(guò)激光燒蝕生成一串鐿離子（171Yb+），單個(gè)寄存器中最多可容納30個(gè)離子，每個(gè)離子都會(huì)被作為一個(gè)量子比特。實(shí)現(xiàn)量子算法的關(guān)鍵在于利用磁場(chǎng)和振蕩電場(chǎng)構(gòu)建一個(gè)保羅阱( 四極離子陷阱）。多數(shù)設(shè)計(jì)方案在此階段使用激光來(lái)控制和操縱量子比特，以執(zhí)行量子門(mén)操作。然而，激光法必須精準(zhǔn)靶向每一個(gè)離子且功耗較高。

相比之下，微波技術(shù)在實(shí)現(xiàn)上更為簡(jiǎn)潔，其功耗約為激光解決方案的五分之一。通過(guò)將高頻振蕩源與 Spectrum 儀器的 DDS 輸出卡結(jié)合，并采用單邊帶（SSB）混頻器產(chǎn)生約 12.64 GHz 的信號(hào)。借助磁場(chǎng)引入的塞曼效應(yīng)，通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行 3MHz 至 5 MHz 的增量調(diào)制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)離子的低串?dāng)_“尋址”，且該方法易于與芯片離子阱集成。DDS 輸出卡在此負(fù)責(zé)生成多音信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)量子比特的獨(dú)立控制與操作。

在量子研究領(lǐng)域，Spectrum 儀器的M4i.6631 任意波形發(fā)生器（AWG）獲得了廣泛的應(yīng)用，該設(shè)備能夠生成幾乎任意波形。

在DDS模式下，該板卡每通道可產(chǎn)生多達(dá)20個(gè)獨(dú)立正弦波載波，實(shí)現(xiàn)快速簡(jiǎn)便的實(shí)驗(yàn)控制。

當(dāng)原有AWG硬件性能達(dá)到瓶頸時(shí)，eleQtron團(tuán)隊(duì)選擇與Spectrum儀器合作。為實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)量子比特的精確控制，所需生成的信號(hào)必須在幅度、相位偏移、脈沖長(zhǎng)度及頻率上獨(dú)立調(diào)節(jié)，以滿足實(shí)現(xiàn)目標(biāo)拉比頻率的要求。該頻率是決定量子操作速度的關(guān)鍵指標(biāo)。這些需求對(duì)任意波形發(fā)生器的性能提出了極高要求。

eQtron團(tuán)隊(duì)最終選用了M4i.66xx系列16位任意波形發(fā)生器（AWG），該系列在全球量子研究領(lǐng)域享有盛譽(yù)。這些PCIe板卡提供1、2或4個(gè)同步通道，最高輸出率達(dá)1.25 GS/s，并配備大容量板載內(nèi)存，支持分段存儲(chǔ)與多波形回放。借助Spectrum優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)程序，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高達(dá)2.8 GB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，并支持最多8張板卡同步運(yùn)行。結(jié)合附加的DDS固件，每通道可同時(shí)輸出多達(dá)20個(gè)正弦波核心。每個(gè)DDS核心均可通過(guò)簡(jiǎn)單指令對(duì)頻率、幅度、相位、頻率斜率及幅度斜率進(jìn)行獨(dú)立的編程，從而在6.4ns的分辨率下實(shí)現(xiàn)正弦波的極速切換。這不僅有助于擴(kuò)展可尋址的量子比特?cái)?shù)量，也為構(gòu)建更復(fù)雜量子電路所需的處理器架構(gòu)提供了靈活性。

關(guān)于Spectrum儀器

Spectrum儀器公司成立于1989年，采用獨(dú)特的模塊化理念設(shè)計(jì)并生產(chǎn)了200多種數(shù)字化儀和信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)品，其中包括PC卡（PCIe和PXIe）以及獨(dú)立的以太網(wǎng)設(shè)備（LXI）。在過(guò)去的35年間，Spectrum儀器已經(jīng)贏得了全球眾多客戶的信賴，產(chǎn)品也被眾多行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)和多所知名大學(xué)廣泛使用。Spectrum儀器總部位于德國(guó)漢堡附近，旗下產(chǎn)品均可享受長(zhǎng)達(dá)五年的質(zhì)保，以及來(lái)自工程師團(tuán)隊(duì)的卓越服務(wù)。更多詳情，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)公司官網(wǎng)www.spectrum-instrumentation.com

審核編輯 黃宇