Tháng 7 năm 2025, Keysight công bố lắp đặt hệ điều khiển lượng tử thương mại lớn nhất từ trước tới nay tại trung tâm G-QuAT của AIST (Nhật Bản) — hệ đầu tiên được giao thương mại có khả năng điều khiển hơn 1.000 qubit siêu dẫn. Điều đáng chú ý trong thông cáo không phải con số qubit, mà là ba đại lượng mà Keysight nói phải giữ được trên toàn hệ: nhiễu, canh thời gian và đồng bộ pha.
Đó chính là chỗ bài toán đổi bản chất. Điều khiển một qubit là bài toán chất lượng tín hiệu vi sóng, đã bàn trong bài Đo lường lượng tử: điều khiển và đọc qubit siêu dẫn cần gì ở thiết bị vi sóng. Điều khiển một nghìn qubit là bài toán khác hẳn: đếm kênh, phân phối tham chiếu và giữ quan hệ pha giữa những kênh nằm ở các mô-đun, thậm chí các khung máy khác nhau. Bài này đi vào phần thứ hai.
Mở rộng điều khiển qubit bắt đầu bằng một phép đếm kênh
Trước khi bàn tới máy móc, phải trả lời được mỗi qubit tiêu tốn bao nhiêu kênh. Với kiến trúc siêu dẫn thường gặp, mỗi qubit cần một đường kích thích vi sóng để quay trạng thái, và trong phần lớn thiết kế còn cần một đường điều khiển từ thông để chỉnh tần số qubit. Hai đường này gần như tỉ lệ một–một với số qubit: một nghìn qubit kéo theo hàng nghìn kênh phát.
Đường đọc trạng thái thì khác. Mỗi qubit được ghép với một bộ cộng hưởng đọc có tần số riêng, nên nhiều qubit có thể chia sẻ chung một đường truyền và được phân biệt theo tần số. Hệ số ghép kênh này quyết định số kênh thu, và nó phụ thuộc vào khoảng cách tần số giữa các bộ cộng hưởng cùng băng thông tức thời của bộ thu — chứ không phải một con số cố định. Đây là lý do bảng tính kênh của một hệ thật luôn có hai cột rất lệch nhau: cột phát lớn, cột thu nhỏ hơn nhiều.
Phép đếm này phải làm trước, vì nó quyết định toàn bộ phần còn lại: số mô-đun, số khung máy, và từ đó là độ khó của bài toán đồng bộ.
Mật độ kênh: mô-đun, khe và khung máy
Lấy Keysight M8195A làm ví dụ về mật độ kênh trên nền AXIe. Mỗi mô-đun cao một khe cung cấp 1, 2 hoặc 4 kênh vi sai, tốc độ lấy mẫu tới 65 GSa/s, băng thông analog 25 GHz và độ phân giải dọc 8 bit. Một khung AXIe 5 khe chứa tối đa 16 kênh.
Con số 8 bit đáng dừng lại. Đó là đánh đổi có chủ đích: tốc độ lấy mẫu rất cao đổi lấy độ phân giải dọc thấp. Với tín hiệu điều khiển qubit, dải động biên độ cần thiết và mức nhiễu lượng tử hoá phải được kiểm tra lại theo từng thiết kế — không thể mặc nhiên cho rằng độ phân giải cao hơn luôn tốt hơn, cũng không thể mặc nhiên cho rằng 8 bit là đủ. Đây là một trong những chỗ mà nhân bản cấu hình từ hệ nhỏ lên hệ lớn dễ gãy nhất.
Khi số kênh vượt quá một mô-đun, Keysight dùng mô-đun đồng bộ M8197A: nó đồng bộ tối đa bốn mô-đun M8195A, tạo thành một hệ phát đa kênh đồng bộ hoàn toàn và đồng pha với tối đa 16 kênh analog. Trong nội bộ bốn kênh của một M8195A, tài liệu cho biết có thể đạt độ chính xác đồng bộ tới thang femto-giây. Khung máy tương ứng trong danh mục là Keysight M9505A, loại 5 khe AXIe kết nối PCIe tốc độ cao.
Ba lớp đồng bộ hay bị gộp làm một
Từ “đồng bộ” trong tài liệu kỹ thuật thường chỉ ba thứ khác nhau, và nhầm lẫn giữa chúng là nguyên nhân phổ biến của những hệ chạy được ở quy mô nhỏ nhưng mất kết quả khi mở rộng.
Lớp một — chung tần số. Tất cả thiết bị khoá vào một tham chiếu chung, thường là 10 MHz hoặc 100 MHz. Điều này đảm bảo các nguồn không trôi tần so với nhau. Nó không đảm bảo chúng cùng pha.
Lớp hai — pha xác định. Đây là phần hay bị bỏ sót. Khi một bộ tổng hợp tần số được điều chỉnh sang tần số mới rồi quay lại, pha đầu ra không nhất thiết trở về giá trị cũ, dù tham chiếu không hề đổi. Với thí nghiệm lượng tử, nơi thông tin nằm trong pha tương đối giữa các xung, đây là lỗi trực tiếp chứ không phải nhiễu.
Lớp ba — canh sự kiện. Trigger và thời điểm phát phải trùng nhau trong phạm vi nhỏ hơn nhiều so với độ dài xung. Đây là bài toán phân phối tín hiệu kích và bù trễ đường dây, độc lập với hai lớp trên.
Mô tả của Keysight về hệ điều khiển lượng tử nói đúng cả ba: phần mềm phân phối xung nhịp và định thời bảo đảm đồng bộ pha và đồng bộ sự kiện trên toàn bộ các kênh của hệ.
Phân phối tham chiếu và điều khiển pha tương đối
Phần cứng cụ thể cho hai lớp đầu nằm ở khối tham chiếu. Keysight M9384B VXG có ngõ ra tham chiếu 10 MHz, 100 MHz và cả 19,2 GHz, cùng ngõ vào tham chiếu ngoài nhận 1 đến 100 MHz với dải khoá ±0,6 ppm. Ngõ ra 19,2 GHz đáng chú ý vì nó cho phép phân phối một tín hiệu dao động nội chung ở tần số cao thay vì để mỗi máy tự nhân từ 10 MHz lên — cách sau tích luỹ nhiễu pha theo hệ số nhân tần.
Cho lớp pha xác định, M9384B có tuỳ chọn PCH cung cấp điều chỉnh pha tương đối giữa kênh 1 và kênh 2, với dải ±180 độ, độ phân giải 0,001 độ và độ lặp lại pha tương đối 0,0001 độ khi chỉnh tần số từ f1 sang f2 rồi quay về f1. Chính con số độ lặp lại đó — chứ không phải dải hay độ phân giải — là thứ trả lời câu hỏi “sau khi đổi tần số, quan hệ pha có về đúng chỗ cũ không”. Ngoài ra máy có dải chỉnh pha tuyệt đối ±180 độ với độ phân giải 0,001 độ, độ phân giải tần số 0,01 Hz, dải tần 1 MHz đến 31,8 GHz hoặc tới 44 GHz tuỳ tuỳ chọn, và bộ tạo băng gốc nội với DAC 16 bit, tốc độ lấy mẫu tới 2,56 GHz.
Ở mức hệ thống, Keysight M9300A là mô-đun chuẩn tần số PXIe phát tham chiếu 10 MHz và 100 MHz cho các mô-đun khác trong khung — mắt xích vật lý của lớp đồng bộ thứ nhất.
Cây quyết định khi mở rộng quy mô
Thứ tự câu hỏi nên đặt ra khi đi từ vài qubit lên vài chục hoặc vài trăm:
- Bảng kênh trước, catalogue sau. Đếm riêng kênh kích thích, kênh từ thông và kênh đọc; xác định hệ số ghép kênh đọc theo thiết kế bộ cộng hưởng của bạn. Con số này quyết định mọi thứ phía sau.
- Kênh có cần đồng pha với nhau không, hay chỉ cần đồng tần? Cổng hai qubit cần quan hệ pha xác định; một số phép đo đặc trưng thì không. Trả lời sai câu này theo hướng lỏng sẽ khiến kết quả không lặp lại; trả lời sai theo hướng chặt sẽ đội chi phí phần cứng đồng bộ.
- Ranh giới mô-đun và khung máy nằm ở đâu so với các nhóm kênh cần đồng pha? Giữ các kênh phải đồng pha chặt nằm trong cùng một mô-đun nếu có thể — đồng bộ nội mô-đun luôn dễ hơn liên mô-đun.
- Độ phân giải dọc và dải động biên độ có đủ cho dạng xung của bạn không? Kiểm tra bằng mô phỏng dạng xung thực tế, không suy từ số bit.
- Tham chiếu được phân phối ở tần số nào? Phân phối ở tần số cao giảm nhiễu pha do nhân tần, nhưng đòi hỏi hạ tầng cáp và bù trễ nghiêm ngặt hơn.
- Có cần phản hồi trong thời gian sống của trạng thái không? Nếu có, độ trễ vòng lặp trở thành ràng buộc kiến trúc chi phối, đứng trên cả số kênh.
Thiết bị liên quan trong danh mục Techmaster
Các khối tương ứng với từng lớp trong kiến trúc trên đều có sẵn: M9384B VXG cho nguồn vi sóng có điều khiển pha tương đối; M8195A cho phát dạng sóng tuỳ ý mật độ kênh cao trên nền AXIe; M9505A làm khung máy 5 khe; và M9300A làm nguồn tham chiếu chung. Cấu hình cụ thể phụ thuộc vào bảng kênh ở bước 1, nên đây là bài toán nên bàn theo từng thiết kế thay vì chọn theo danh sách có sẵn.
Kết luận
Mở rộng hệ điều khiển qubit không phải là mua thêm máy giống hệt máy đang có. Ba thứ đổi bản chất khi số kênh tăng: bảng kênh trở thành ràng buộc kiến trúc, quan hệ pha giữa các kênh trở thành đại lượng phải thiết kế chứ không phải hệ quả có sẵn của việc dùng chung tham chiếu, và ranh giới mô-đun trở thành một quyết định kỹ thuật thay vì chi tiết đóng gói.
Nếu chỉ mang về một câu: dùng chung 10 MHz cho bạn cùng tần số, không cho bạn cùng pha. Phần còn lại là công việc thiết kế.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025. Để trao đổi cấu hình cho hệ đo lường và điều khiển đa kênh, hoặc lên lịch hiệu chuẩn thiết bị vi sóng, liên hệ hotline 0908 173 345.
