We introduce a Xilinx RF System-on-Chip (RFSoC)-based qubit controller (called the Quantum Instrumentation Control Kit, or QICK for short), which supports the direct synthesis of control pulses with carrier frequencies of up to 6 GHz. The QICK can control multiple qubits or other quantum devices. The QICK consists of a digital board hosting an RFSoC field-programmable gate array, custom firmware, and software and an optional companion custom-designed analog front-end board. We characterize the analog performance of the system as well as its digital latency, important for quantum error correction and feedback protocols. We benchmark the controller by performing standard characterizations of a transmon qubit. We achieve an average gate fidelity of Favg=99.93%. All of the schematics, firmware, and software are open-source.

1.
P. W.
Shor
,
SIAM J. Comput.
26
,
1484
1509
(
1997
).
2.
3.
C. H.
Bennett
and
G.
Brassard
,
Theor. Comput. Sci.
560
,
7
11
(
2014
).
4.
J.
Yin
,
Y. H.
Li
,
S. K.
Liao
,
M.
Yang
,
Y.
Cao
,
L.
Zhang
,
J. G.
Ren
,
W. Q.
Cai
,
W. Y.
Liu
,
S. L.
Li
,
R.
Shu
,
Y. M.
Huang
,
L.
Deng
,
L.
Li
,
Q.
Zhang
,
N. L.
Liu
,
Y. A.
Chen
,
C. Y.
Lu
,
X. B.
Wang
,
F.
Xu
,
J. Y.
Wang
,
C. Z.
Peng
,
A. K.
Ekert
, and
J. W.
Pan
,
Nature
582
,
501
(
2020
).
5.
C. S.
Wang
,
J. C.
Curtis
,
B. J.
Lester
,
Y.
Zhang
,
Y. Y.
Gao
,
J.
Freeze
,
V. S.
Batista
,
P. H.
Vaccaro
,
I. L.
Chuang
,
L.
Frunzio
,
L.
Jiang
,
S. M.
Girvin
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Phys. Rev. X
10
,
021060
(
2020
).
6.
J.
Biamonte
,
P.
Wittek
,
N.
Pancotti
,
P.
Rebentrost
,
N.
Wiebe
, and
S.
Lloyd
,
Nature
549
,
195
202
(
2017
).
7.
L.
Egan
,
D. M.
Debroy
,
C.
Noel
,
A.
Risinger
,
D.
Zhu
,
D.
Biswas
,
M.
Newman
,
M.
Li
,
K. R.
Brown
,
M.
Cetina
, and
C.
Monroe
, “
Fault-tolerant operation of a quantum error-correction code
,” arXiv:2009.11482 [quant-ph] (
2021
).
8.
M.
Kjaergaard
,
M. E.
Schwartz
,
J.
Braumüller
,
P.
Krantz
,
J. I.-J.
Wang
,
S.
Gustavsson
, and
W. D.
Oliver
,
Annu. Rev. Condens. Matter Phys.
11
,
369
395
(
2020
).
9.
J.
Yoneda
,
K.
Takeda
,
T.
Otsuka
,
T.
Nakajima
,
M. R.
Delbecq
,
G.
Allison
,
T.
Honda
,
T.
Kodera
,
S.
Oda
,
Y.
Hoshi
 et al.,
Nat. Nanotechnol.
13
,
102
106
(
2017
).
10.
R.
Schirhagl
,
K.
Chang
,
M.
Loretz
, and
C. L.
Degen
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
65
,
83
(
2014
).
11.
12.
L. M.
Sager
,
S. E.
Smart
, and
D. A.
Mazziotti
,
Phys. Rev. Res.
2
,
043205
(
2020
).
13.
F.
Arute
,
K.
Arya
,
R.
Babbush
,
D.
Bacon
,
J. C.
Bardin
,
R.
Barends
,
R.
Biswas
,
S.
Boixo
,
F. G. S. L.
Brandao
,
D. A.
Buell
,
B.
Burkett
,
Y.
Chen
,
Z.
Chen
,
B.
Chiaro
,
R.
Collins
,
W.
Courtney
,
A.
Dunsworth
,
E.
Farhi
,
B.
Foxen
,
A.
Fowler
,
C.
Gidney
,
M.
Giustina
,
R.
Graff
,
K.
Guerin
,
S.
Habegger
,
M. P.
Harrigan
,
M. J.
Hartmann
,
A.
Ho
,
M. R.
Hoffmann
,
T.
Huang
,
T. S.
Humble
,
S. V.
Isakov
,
E.
Jeffrey
,
Z.
Jiang
,
D.
Kafri
,
K.
Kechedzhi
,
J.
Kelly
,
P. V.
Klimov
,
S.
Knysh
,
A. N.
Korotkov
,
F.
Kostritsa
,
D.
Landhuis
,
M.
Lindmark
,
E.
Lucero
,
D.
Lyakh
,
S.
Mandra
,
J. R.
McClean
,
M.
McEwen
,
A.
Megrant
,
X.
Mi
,
K.
Michielsen
,
M.
Mohseni
,
J.
Mutus
,
O.
Naaman
,
M.
Neeley
,
C.
Neill
,
M. Y.
Niu
,
E.
Ostby
,
A.
Petukhov
,
J. C.
Platt
,
C.
Quintana
,
E. G.
Rieffel
,
P.
Roushan
,
N. C.
Rubin
,
D.
Sank
,
K. J.
Satzinger
,
V.
Smelyanskiy
,
K. J.
Sung
,
M. D.
Trevithick
,
A.
Vainsencher
,
B.
Villalonga
,
T.
White
,
Z. J.
Yao
,
P.
Yeh
,
A.
Zalcman
,
H.
Neven
, and
J. M.
Martinis
,
Nature
574
,
505
(
2019
).
14.
S.
Asaad
,
C.
Dickel
,
N. K.
Langford
,
S.
Poletto
,
A.
Bruno
,
M. A.
Rol
,
D.
Deurloo
, and
L.
DiCarlo
,
npj Quantum Inf.
2
,
16029
(
2016
).
15.
T.
Walter
,
P.
Kurpiers
,
S.
Gasparinetti
,
P.
Magnard
,
A.
Potočnik
,
Y.
Salathé
,
M.
Pechal
,
M.
Mondal
,
M.
Oppliger
,
C.
Eichler
 et al.,
Phys. Rev. Appl.
7
,
054020
(
2017
).
16.
N.
Ofek
,
A.
Petrenko
,
R.
Heeres
,
P.
Reinhold
,
Z.
Leghtas
,
B.
Vlastakis
,
Y.
Liu
,
L.
Frunzio
,
S. M.
Girvin
,
L.
Jiang
,
M.
Mirrahimi
,
M. H.
Devoret
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Nature
536
,
441
(
2016
).
18.
C. A.
Ryan
,
B. R.
Johnson
,
D.
Ristè
,
B.
Donovan
, and
T. A.
Ohki
,
Rev. Sci. Instrum.
88
,
104703
(
2017
).
20.
Zurich Instruments Website, https://www.zhinst.com/americas/en,
2021
.
21.
Quantum Machines Website, https://www.quantum-machines.co,
2021
.
22.
Y.
Xu
,
G.
Huang
,
J.
Balewski
,
R.
Naik
,
A.
Morvan
,
B.
Mitchell
,
K.
Nowrouzi
,
D. I.
Santiago
, and
I.
Siddiqi
, in
IEEE Transactions on Quantum Engineering
(
IEEE
,
2021
), Vol. 2, pp.
1
11
.
23.
W. D.
Kalfus
,
D. F.
Lee
,
G. J.
Ribeill
,
S. D.
Fallek
,
A.
Wagner
,
B.
Donovan
,
D.
Riste
, and
T. A.
Ohki
,
IEEE Trans. Quantum Eng.
1
,
1
(
2021
).
24.
S. W.
Jolin
,
R.
Borgani
,
M. O.
Tholén
,
D.
Forchheimer
, and
D. B.
Haviland
,
Rev. Sci. Instrum.
91
,
124707
(
2020
).
26.
R.
Gebauer
,
N.
Karcher
, and
O.
Sander
,
Phys. Rev. Appl.
15
,
064030
(
2021
).
27.
K. H.
Park
,
Y. S.
Yap
,
Y. P.
Tan
,
C.
Hufnagel
,
L. H.
Nguyen
,
K. H.
Lau
,
S.
Efthymiou
,
S.
Carrazza
,
R. P.
Budoyo
, and
R.
Dumke
, “
ICARUS-Q: A scalable RFSoC-based control system for superconducting quantum computers
,” arXiv:2112.02933 [quant-ph] (
2021
).
28.
29.
Python productivitye for zynq, https://pynq.io,
2021
.
30.
Zynq Ultrascale+ RFSOC Product Data Sheet: Overview (DS889), https://www.xilinx.com/support/documentation/data_sheets/ds889-zynq-usp-rfsoc-overview.pdf,
2020
.
31.
QICK Github repository, https://github.com/openquantumhardware/qick,
2021
.
32.
A. V.
Dixit
,
S.
Chakram
,
K.
He
,
A.
Agrawal
,
R. K.
Naik
,
D. I.
Schuster
, and
A.
Chou
,
Phys. Rev. Lett.
126
,
141302
(
2021
).
33.
A. B.
Walter
,
N.
Fruitwala
,
S.
Steiger
,
J. I.
Bailey
,
N.
Zobrist
,
N.
Swimmer
,
I.
Lipartito
,
J. P.
Smith
,
S. R.
Meeker
,
C.
Bockstiegel
,
G.
Coiffard
,
R.
Dodkins
,
P.
Szypryt
,
K. K.
Davis
,
M.
Daal
,
B.
Bumble
,
G.
Collura
,
O.
Guyon
,
J.
Lozi
,
S.
Vievard
,
N.
Jovanovic
,
F.
Martinache
,
T.
Currie
, and
B. A.
Mazin
,
Publ. Astron. Soc. Pac.
132
,
125005
(
2020
).
34.
N.
Fruitwala
,
P.
Strader
,
G.
Cancelo
,
T.
Zmuda
,
K.
Treptow
,
N.
Wilcer
,
C.
Stoughton
,
A. B.
Walter
,
N.
Zobrist
,
G.
Collura
,
I.
Lipartito
,
J. I.
Bailey
, and
B. A.
Mazin
,
Rev. Sci. Instrum.
91
,
124705
(
2020
).
35.
H.
Zhang
,
S.
Chakram
,
T.
Roy
,
N.
Earnest
,
Y.
Lu
,
Z.
Huang
,
D. K.
Weiss
,
J.
Koch
, and
D. I.
Schuster
,
Phys. Rev. X
11
,
011010
(
2021
).
36.
R.
Hanson
,
L. P.
Kouwenhoven
,
J. R.
Petta
,
S.
Tarucha
, and
L. M. K.
Vandersypen
,
Rev. Mod. Phys.
79
,
1217
(
2007
).
37.
QICK documentation website, https://qick-docs.readthedocs.io/en/latest,
2021
.
38.
IBM Qiskit library, https://qiskit.org,
2021
.
39.
Zurich Instruments SHFQA Specifications, https://docs.zhinst.com/shfqa_user_manual/specifications.html,
2021
.
40.
J. P. V.
Dijk
,
B.
Patra
,
S.
Pellerano
,
E.
Charbon
,
F.
Sebastiano
, and
M.
Babaie
,
IEEE Trans. Circuits Syst.
67
,
5380
(
2020
).
41.
H.
Ball
,
W. D.
Oliver
, and
M. J.
Biercuk
, “
The role of master clock stability in quantum information processing
,”
npj Quantum Inf.
2
,
16033
(
2016
).
43.
J.
Koch
,
T. M.
Yu
,
J.
Gambetta
,
A. A.
Houck
,
D. I.
Schuster
,
J.
Majer
,
A.
Blais
,
M. H.
Devoret
,
S. M.
Girvin
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Phys. Rev. A
76
,
042319
(
2007
).
44.
J.
Gambetta
,
A.
Blais
,
D. I.
Schuster
,
A.
Wallraff
,
L.
Frunzio
,
J.
Majer
,
M. H.
Devoret
,
S. M.
Girvin
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Phys. Rev. A
74
,
042318
(
2006
).
45.
Y.
Nakamura
,
Y. A.
Pashkin
, and
J. S.
Tsai
,
Nature
398
,
786
(
1999
).
46.
A. G.
Fowler
,
M.
Mariantoni
,
J. M.
Martinis
, and
A. N.
Cleland
,
Phys. Rev. A
86
,
032324
(
2012
).
47.
A.
Wallraff
,
D. I.
Schuster
,
A.
Blais
,
L.
Frunzio
,
J.
Majer
,
M. H.
Devoret
,
S. M.
Girvin
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
060501
(
2005
).
48.
J. M.
Martinis
,
Quantum Inf. Process.
8
,
81
(
2009
).
49.
J.
Preskill
, in
Annual Symposium on Foundations of Computer Science–Proceedings
,
1997
.
51.
R. J.
Schoelkopf
and
S. M.
Girvin
,
Nature
451
,
664
(
2008
).
52.
M. H.
Devoret
and
R. J.
Schoelkopf
,
Science
339
,
1169
(
2013
).
53.
D. I.
Schuster
, “
Circuit quantum electrodynamics
,” Ph.D. thesis,
Yale University
,
2007
.
54.
P.
Krantz
,
M.
Kjaergaard
,
F.
Yan
,
T. P.
Orlando
,
S.
Gustavsson
, and
W. D.
Oliver
,
Appl. Phys. Rev.
6
,
021318
(
2019
).
55.
M.
Naghiloo
, “
Introduction to experimental quantum measurement with superconducting qubits
,” arXiv:1904.09291 [quant-ph] (
2019
).
56.
A. P.
Place
,
L. V.
Rodgers
,
P.
Mundada
,
B. M.
Smitham
,
M.
Fitzpatrick
,
Z.
Leng
,
A.
Premkumar
,
J.
Bryon
,
A.
Vrajitoarea
,
S.
Sussman
,
G.
Cheng
,
T.
Madhavan
,
H. K.
Babla
,
X. H.
Le
,
Y.
Gang
,
B.
Jäck
,
A.
Gyenis
,
N.
Yao
,
R. J.
Cava
,
N. P.
de Leon
, and
A. A.
Houck
,
Nat. Commun.
12
,
1779
(
2021
).
57.
M.
Carroll
,
S.
Rosenblatt
,
P.
Jurcevic
,
I.
Lauer
, and
A.
Kandala
, “
Dynamics of superconducting qubit relaxation times
,” arXiv:2105.15201 [quant-ph] (
2021
).
58.
59.
IBM Qiskit OpenQASM library, https://github.com/Qiskit/openqasm,
2021
.
You do not currently have access to this content.