在光子量子计算迈向大规模、容错化的进程中，实时经典控制层的挑战常被低估。Xanadu团队近期在Nature上报道的Aurora系统，首次将35个光子芯片、13公里光纤延迟线以及12个连续变量量子比特集成于室温运行的模块化架构中。但驱动这套系统高效运转的，并非仅靠光学硬件——背后那张由FPGA构成的实时控制网络，才是真正让“测量-反馈-路由”循环得以闭环的关键。
模块化光子量子体系结构
图1包括损耗路径P1-4的架构布局Aurora架构分为三个主要阶段，如上图1所示：
（1）高斯玻色子采样（GBS）设备准备预示的初始非高斯态；
（2）具有零差探测器的自适应干涉仪树（称为“refineries”）提高了非高斯态的质量和概率，并将其纠缠成双模GKP（Gottesman-Kitaev-Presill）贝尔对；
（3）量子处理单元（QPU）芯片阵列，选择质量最好的贝尔对，将它们纠缠成时空簇状态，并通过对每种模式进行零差测量来实现门。
这三个主要模块与基于光纤延迟的检测模块和光学互连相结合，通过光学和电子链路连接到一个统一的时间复用集群状态计算机中。
物理架构，包括通过光纤延迟互连的相同三层，如下图2所示。
图2Aurora系统和主要模块示意图24个源芯片阵列产生压缩态和纠缠双模高斯态。这些由定制的脉冲激光系统（最左侧的机架）泵浦，该系统还产生和分配本地振荡器光束和参考光束，以锁定到计算模块。PNR检测器用于这些芯片（源）的双模高斯状态输出中的每一个的一半，以预示非高斯状态；稳定的光纤延迟线在等待这些检测结果的同时，缓冲另一种模式。
预示的输出被馈送到六个refinerychips(refinery)的阵列中，每个芯片都被动态驱动，使用一对四比一的二叉树多路复用器来合成纠缠的贝尔对，以选择最佳的可用输入对。refinery后有六对这样的产品可供选择；两对中的一半通过路由模块（光纤延迟）延迟，以在相邻时钟周期之间产生纠缠。然后，所有对通过5个QPU芯片阵列拼接成时空簇状态，该芯片还在每个时钟周期对所有12种操作模式进行零差测量。等效地，每个QPU芯片实现多模GHz测量，从而生成完全连接的资源状态。机架底部的黄色电缆所示的炼油厂和QPU之间的光纤路由模式通过适当地将QPU联网来实现所需的集群状态网格。
FPGA，Aurora的实时运算大脑
Xanadu在其控制系统中部署了RedPitaya的FPGA板卡（如STEMlab125-144-input系列），用于实时信号数字化、滤波、正交分量提取、以及光调制器的纳秒级驱动。随着系统规模扩展至百个逻辑量子比特，所需FPGA节点数可能达到数千台，且必须实现严格同步和分布式解码。正是这一现实需求，促使RedPitaya持续完善其多通道同步采集与生成方案，为科研和工业界提供高性价比、可扩展的FPGA工具链。
实时信号采集
快速零差探测器产生高带宽模拟信号。RedPitaya单元在MHzGHz尺度上处理实时数字化、滤波、正交提取和基于测量的门计算。
超低延迟前馈
在集群状态模型中，每个度量决定了下一个度量基础。FPGA确保了超低延迟、确定性时序和跨各种芯片的同步控制，超出了CPU/GPU的能力范围。
光子路由控制
交换树和光纤延迟需要纳秒级的精确调制。因此，FPGA逻辑驱动光开关、相位调制器、用于挤压器的泵浦功率调制器和同步时钟。
实时纠错和解码
演示的重复码使用基于FPGA的实时解码。随着系统规模的扩大，解码将需要并行运行的分层FPGA集群。
网络和协调
RedPitaya板充当多机架模块化系统的确定性定时编排器，并充当模块间通信的低延迟交换机。
然而，这种架构标志着一个里程碑，因为它是第一个所有基本子系统以模块化、网络化形式协同工作的项目。但量子光子学只提供了story-telling的一面。以目前可用的技术，FPGA似乎是提供超快测量处理、经典控制和同步的最佳仪器。毫无疑问，RedPitaya将胜任这项任务。
RedPitaya多通道解决方案：从单板到大规模同步
RedPitaya针对不同通道数和同步精度需求，提供了灵活的多通道硬件方案，覆盖从实验室原型到系统级集成。
1.单板四通道：STEMlab125‑144‑Input
该型号在经典STEMlab平台基础上重新设计，配备四路125MSPS、14位分辨率同步模拟输入，搭载AMDXilinxZynq7020SoC（双核Cortex‑A9+FPGA）。输入范围可切换±1V/±20V，模拟带宽DC~60MHz，并显著降低了噪声和通道间串扰。适用于无需扩展的多通道数据采集、无损检测、医疗成像和通信基带处理等场景。
2.雏菊链同步方案（第一代X‑Channel）
基于SATA电缆的雏菊链拓扑，由一台主设备向从设备分发共享时钟和触发信号。每台设备独立通过以太网上传数据，避免主节点瓶颈，同时保留完整的扩展引脚访问权限。该方案适合中低频（最高约100kS/s）应用，如锁相放大器和多通道慢速传感，且对模拟输出噪声较为敏感时优势明显。
3.ClickShields同步方案（第二代X‑ChannelSystem2.0）
为提高高频（125MSPS）下的同步性能，第二代改用ClickShield扩展板配合U.FL电缆分发时钟和触发，核心采用ZL40213LVDS时钟扇出缓冲器，确保各板卡间具有极小且确定的偏斜。相比雏菊链，该方案的优势包括：
-信号完整性：时钟边沿陡峭，延迟随级联板数增加的衰减更小；
-混板兼容：可混合不同型号的STEMlab板（如PROGen2与4‑Input组合），灵活适配不同通道组合；
-外部时钟/触发：支持外接参考时钟或触发源，便于与现有系统集成；
-高速流式性能：在Gen2平台上，单板流式吞吐量提升至62.5MB/s（原20MB/s），支持长时间连续采集和实时信号分析；
-DeepMemory模式：允许将波形数据直接从系统内存流式传输至DAC，用于复杂波形生成和硬件在环仿真。
该方案可扩展至数百个同步通道，已在多伦多地区某大型量子计算系统中实际部署——研究人员借助ClickShields为数十块FPGA板卡分配共享时钟，实现了相位相干的并行控制。
4.如何根据需求选择？
1、单机四通道同步采集，无需扩展：STEMlab125-144-input
2、多通道中低速同步，需完整扩展引脚：X-Channel雏菊链（SATA）
3、高速（125MSPS）多板同步，需混板或外时钟：ClickShields（X‑Channel2.0）
4、大规模（数百通道）相位相干采集：ClickShields级联
结语
Aurora的工作表明，光子量子计算的进步不仅依赖于芯片与光纤，同样依赖于实时、低延迟、可扩展的经典控制层。RedPitaya的FPGA多通道解决方案，正在为这类前沿研究提供一种经济且灵活的工具——它既非万能，也非唯一选择，但在当前技术条件下，确实为科研人员提供了一个值得评估的务实选项。我们相信，随着量子硬件规模的扩大，此类同步与控制技术的价值将愈发显现，而RedPitaya也会持续迭代，与社区共同面对新的挑战。
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