M-Labs

M-Labsについて

2013年、Milkymistはより多様な活動に合わせてM-Labsと改名し、M-Labs Limitedとして正式に設立されました。
2014年からは、量子情報実験用の最先端オープンソース制御システム「ARTIQ」をメインプロジェクトとしています。
200以上の主要な量子物理学実験が、ARTIQをメイン制御およびデータ収集システムとして信頼しています。

RoHSとREACHに準拠しています。

ARTIQ（Advanced Real-Time Infrastructure for Quantum physics）は、量子情報実験用の最先端制御システムです。NISTのイオンストレージ・グループと共同で開始・開発され、現在では世界中の多くの研究機関で使用・サポートされています。現在、ARTIQは主に原子物理学グループで使用されていますが、その応用範囲はイオントラッピングにとどまりません。

現代の量子情報システムの研究は、制御システムに特別な課題を投げかけています：

• 特に位相コヒーレンスを確保するためには、何十もの信号を極めて正確なタイミングで受信・生成する必要があります
• 量子エラー訂正方式は、測定に対する反応待ち時間を非常に小さくする必要があります
• 量子ゲートや量子アルゴリズムの実世界での実装には、構造的に複雑なプロトコルが必要であります
• 実験技術の向上により、柔軟でプログラマブルなシステムの必要性が高まっています
• 一つの実験に関わる機器、デバイスドライバ、データ解析ソフトウェアの多様性により、分散されたマルチプラットフォーム環境が実現されます

ARTIQを導入
ARTIQは、Pythonをベースとした高水準のプログラミング言語を搭載しており、複雑な実験の記述を支援します。これは、ナノ秒のタイミング分解能とサブマイクロ秒のレイテンシーを持つ専用のFPGAハードウェア上でコンパイル・実行されます。
FPGA（コアデバイス）上で動作するタイムクリティカルなコード（カーネル）は、リモートプロシージャコール（RPC）機構を使用して、コンピュータ上のPythonコードと容易にインタフェースされます。
FPGAの設計は移植性に優れているため、さまざまなラボのセットアップに対応でき、ハードウェアの陳腐化にも対応できます。
非リアルタイムデバイス用のARTIQドライバは、異なるオペレーティングシステムを搭載したリモートマシン上で実行することができます。
このプロジェクトには、グラフィカル・ユーザー・インターフェース、実験スケジューリング・システム、実験、デバイス、パラメータ、結果用のデータベースも含まれています。
採用される技術は、Python、Migen、MiSoC/mor1kx、LLVM、llvmliteです。

エコシステム

オープンソース

ARTIQのもう一つの目標は、プラットフォームに依存しないオープンソースのハードウェアとソフトウェアの開発を通じて設計の再利用を促進することにより、量子物理学機器の設計フローの合理化と簡素化を図ることです。

Sinara hardware

最初のARTIQコアデバイスは、M-Labs内で作られたハードウェアを使用していました。
ARTIQシステムの品質、機能、拡張性を向上させ、Sinaraデバイスファミリーを開発してきました。
これは、再現性、オープン性、柔軟性、モジュール性、十分なテスト、そしてARTIQ制御ソフトウェアによる十分なサポートを備えたターンキー制御ハードウェアを提供します。

ARTIQと連携したGrafanaで、Opticlockのイオントラップをモニタリング

Sinara Core

ARTIQシステムの品質、機能、拡張性を向上させるため、Sinaraデバイスファミリーの開発を進めてきました。これは、再現性、オープン性、柔軟性、モジュール性、十分なテスト、およびARTIQ制御ソフトウェアによる十分なサポートを備えたターンキー制御ハードウェアを提供します。

Sinara 1124 Carrier “Kasli”

Sinaraファミリーの主要デバイスの1つが1124 Carrier（コードネーム：Kasli 2.0）です。Artix-7 100T FPGA、DDR3 SDRAM、4つのSFPコネクタを搭載し、最大12枚のドーターカード（Eurocard Extension Module、EEM）を制御することができます。Kasliは、スタンドアローンのコアデバイスとして、またはDRTIOサテライトやリピーターとして機能します。KasliとそのEEMは、1つのEurocard 3Uシャーシにインストールされます。1つのSFPコネクタは、コンピュータ・ネットワークへのギガビット・イーサネット接続に使用されます。

Sinara 2118 BNC / Sinara 2128 SMA

シンプルなTTL信号には、BNC（2118）、SMA（2128）、MCX（2138）コネクターで8チャンネルを持つEEMフォームファクターのI/Oカードを提供しています。IOは4つずつ2つのバンクに分かれており、バンクごとにグランドが分離されています。方向（入力/出力）と終端（高Z/50Ω）は、I2Cまたはオンボードスイッチによってチャネルごとに選択可能です。出力の開放電圧は5Vで、50Ωに有効なTTLレベルを供給でき、グラウンドへの不定な短絡にも耐えることができます。

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Sinara 4410 DDS “Urukul”

Urukulは、EEMフォームファクタ用の4チャンネルDDSベースの周波数シンセサイザーです。
サブヘルツの周波数分解能、制御された位相ステップ、正確な出力振幅制御を提供します。AD9910（Sinara4410）またはAD9912（Sinara4412）チップを搭載した2種類のバリエーションで提供しています。AD9910搭載カードとAD9912搭載カードは、同じARTIQシステム内で自由に混在させることができ、特に問題はありません。

ARTIQのSU-Servo機能を使えば、4410 DDS（4412と違って細かい振幅制御が可能）を5108サンプラーと組み合わせて、レーザー強度サーボを構成することができます。このアプリケーションでは、UrukulカードがAOMを駆動し、フォトダイオードはSamplerに接続されてレーザー強度を監視します。システムの注文時に、ゲートウェアにSU-Servoを統合することを指定してください。

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Sinara 5432 DAC “Zotino”

Zotinoは32チャンネル、16ビットDAC EEMで、更新レートは1MSPS（チャンネル間で分割）です。低ノイズと良好な安定性を目指して設計されています。

Zotinoは、32チャンネルを(a)フロントパネルのHD68コネクタと(b)ボード上の4つのIDCコネクタの両方に接続しています。8チャンネルの各IDC接続は、それぞれBNC-IDCまたはSMA-IDCを使用してBNCまたはSMAにブレイクアウトすることができます。

また、HD68ケーブルを使用して、BNC-IDCまたはSMA-IDCカードを含む外部クレートにZotinoを接続することも可能です。

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Sinara 5108 Sampler

Sinara 5108は、8チャネル、16ビットADC EEMで、最大1.5MSPSの更新レート（全チャネル同時）を備えています。デジタルでプログラム可能なゲインを持つ低ノイズ差動フロントエンドを備え、+-10mV（G=1000）～+-10V（G=1）のフルスケール入力レンジを提供します。

SU-Servoモードでは、5108サンプラーは4410DDSと組み合わせて、レーザー強度サーボを構成するために使用することができます。その他、通常モードでは、ARTIQカーネルでシングルサンプル値を読み出すことができます。（CPUオーバーヘッドのため、通常モードでの実際のサンプルレートは減少します）

販売実績

（2023年4月更新）
アカデミック

• 情報通信研究開発機構
• 大阪大学
• 分子科学研究所