現代の量子コンピューティングおよび量子研究システムでは、ナノ秒レベルのタイミング精度、高速波形生成、そして同期されたマルチチャンネル読み出しが求められます。従来、このレベルの精度を実現するには、複雑なカスタムメイドの計測機器が必要となり、システムコスト、開発時間、そして統合作業が増加していました。
これらの課題に対処するため、iWaveはZynq™ UltraScale+™ ZU49DR RFSoCシステムオンモジュール（SOM）上でQICKフレームワークの実装と検証に成功しました。このソリューションは、FPGAベースのハードウェアアクセラレーションと柔軟なソフトウェア駆動型実験制御を組み合わせ、コンパクトで量産対応のフォームファクタでリアルタイムの量子制御と測定を実現します。
QICKとは何ですか？
QICK（Quantum Instrumentation Control Kit）は、量子システムの制御と読み出しを簡素化するために設計されたオープンソースフレームワークです。以下の要素を組み合わせています。
- RFSoCベースのハードウェアプラットフォーム
- リアルタイム信号処理用のカスタム FPGA ファームウェア
- Python ベースのソフトウェア制御。通常は Jupyter ノートブックからアクセスします。
QICK は、高速量子計測と柔軟なソフトウェア開発の間のギャップを埋め、ユーザーが FPGA に関する深い専門知識を持たなくても量子実験を迅速に定義、実行、反復できるようにします。
RFSoC上のQICKアーキテクチャ
QICK アーキテクチャは、処理システム (PS) とプログラマブル ロジック (PL) の間で役割を分割することで、RFSoC の異種機能を活用します。
- 処理システム（PS）
Arm コア上で組み込み Linux を実行し、Python ベースのソフトウェア インターフェイスを通じて、高度な実験制御、構成、シーケンス、およびデータ管理を提供します。 - プログラマブルロジック（PL）
波形生成、デジタルアップ/ダウンコンバージョン、フィルタリング、トリガ、バッファリング、スケジューリングといったタイムクリティカルな機能を実装します。これらの機能は、厳密にクロック同期されたパイプラインで動作し、ナノ秒レベルの確定的なタイミングを保証します。
重要な構成要素の一つは、極めて低い遅延で決定論的な命令シーケンスを実行するQICKタイミングプロセッサ（tProcessor）です。これにより、高精度なパルスシーケンス、同期されたマルチチャネル動作、そして高度な量子実験に不可欠なリアルタイムのフィードバックまたはフィードフォワードが可能になります。
QICKソフトウェアにおけるPYNQの役割
QICKは、 PYNQ （Python Productivity for Zynq）によって実現されるPythonベースの制御環境上で動作します。PYNQは、ユーザーが高レベルのソフトウェア抽象化を使用してRFSoCハードウェアとやり取りできるようにする、基盤となるLinuxおよびPythonフレームワークを提供します。
このアーキテクチャにおいて、PYNQはQICK APIの実行、オーバーレイの管理、そしてPythonおよびJupyterノートブックを介したインタラクティブな制御を可能にするソフトウェア基盤として機能します。この組み合わせにより、ユーザーは実験の設定、タイミング制御、そして結果の可視化を、FPGAハードウェア上で確定的なリアルタイム処理の実行を継続しながら行うことができます。
興味のある読者のために、iWaveは以前、AMD RFSoC上でPYNQを使用したPythonベースのRFシステム設計に関する記事で、このアプローチについて詳しく解説しています。
iWave 搭載の RFSoC システム オン モジュールへの QICK 実装
iWaveは、Zynq™ UltraScale+™ ZU49DR RFSoC SoMにQICKを統合し、デバイスに内蔵されたマルチGSPS ADCおよびDACを活用して、RF波形の直接生成と取得を実現しました。複数のカスタムIPブロックがQICKオーバーレイに組み込まれ、タイミングパスおよびデータパスと密接に結合され、ソフトウェア層に公開されています。
iWave RFSoC SoMで実証された主な機能は以下のとおりです。
- 位相アライメントを維持した位相定義波形の伝送とキャプチャ
- 複数のチャネルとパルスにわたる位相コヒーレント動作
- 大規模データキャプチャ、平均化、デシメーション、拡張読み出しウィンドウのサポート
- 決定論的なタイミングと低遅延フィードバックによる多重信号生成と読み出し
PS と PL 間の高速データ移動は AXI インターフェイスと DMA を介して処理されるため、すべてのリアルタイム操作がハードウェアで実行されている間、ユーザーは Python から実験を制御できます。
量子計測にiWave RFSoC SoMが選ばれる理由
iWaveは、 RFSoCシステムオンモジュールにQICKを実装することで、量子制御および測定のためのコンパクトで量産対応可能なプラットフォームを提供します。
- 直接波形合成と取得のための統合マルチGSPS RF ADCとDAC
- ナノ秒レベルの精度を実現するFPGAベースの決定論的タイミング
- ラピッドプロトタイピングのための Linux および Python ベースのソフトウェア環境
- 個別のマルチボード量子計測装置セットアップに比べてハードウェアの複雑さが軽減されます
このため、iWave RFSoC SoMは、ハードウェアの精度とソフトウェアの柔軟性の緊密な統合が求められる量子研究室、実験用量子コンピューティングプラットフォーム、および高度なRF計測システムに最適です。
iWave社のZynq™ UltraScale+™ RFSoCシステムオンモジュール上でのQICKの検証成功は、緊密に統合されたハードウェア・ソフトウェアプラットフォームを用いることで、複雑な量子制御システムをいかに簡素化できるかを実証しています。リアルタイムFPGAアクセラレーション、高速RF変換、そしてユーザーフレンドリーなソフトウェア制御を組み合わせることで、iWave社は次世代の研究・実験に向けた、より迅速な開発サイクルと拡張性の高い量子計測ソリューションを実現します。
iWaveは、FPGAシステムオンモジュールの設計・製造およびODM設計サービスにおけるグローバルリーダーです。FPGA分野で26年以上にわたる豊富な経験と、設計から導入までの一貫した高い能力を活かし、お客様のアイデアを信頼性、コスト、性能のバランスが取れた、市場投入までの時間短縮を実現する製品へと変革することを目指しています。
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