Ny kontrolelektronik til kvantecomputere, der forbedrer ydeevnen, reducerer omkostningerne

Når man designer en næste generations kvantecomputer, er et overraskende stort problem at bygge bro over kommunikationskløften mellem den klassiske og kvanteverdenen. Sådanne computere har brug for en specialiseret kontrol- og udlæsningselektronik til at oversætte frem og tilbage mellem den menneskelige operatør og kvantecomputerens sprog - men eksisterende systemer er besværlige og dyre.

Et nyt system af kontrol- og udlæsningselektronik, kendt som Quantum Instrumentation Control Kit eller QICK, udviklet af ingeniører ved det amerikanske energiministeriums Fermi National Accelerator Laboratory, har imidlertid vist sig at forbedre kvantecomputerens ydeevne drastisk og samtidig reducere omkostningerne til kontroludstyr. .

"Udviklingen af ​​Quantum Instrumentation Control Kit er et glimrende eksempel på amerikansk investering i fælles kvanteteknologiforskning med partnerskaber mellem industri, akademi og regering for at accelerere præ-konkurrencedygtige kvanteforsknings- og udviklingsteknologier," siger Harriet Kung, DOE vicedirektør for videnskab. programmer for Office of Science og fungerende associeret direktør for videnskab for højenergifysik.

De hurtigere og mere omkostningseffektive kontroller blev udviklet af et team af Fermilab-ingeniører ledet af senior hovedingeniør Gustavo Cancelo i samarbejde med University of Chicago, hvis mål var at skabe og teste en feltprogrammerbar gate array-baseret (FPGA) controller til kvanteberegningsforsøg. David Schuster, en fysiker ved University of Chicago, ledede universitetets laboratorium, der hjalp med specifikationerne og verifikationen på ægte hardware.

"Dette er præcis den type projekt, der kombinerer styrkerne ved et nationalt laboratorium og et universitet," sagde Schuster. "Der er et klart behov for et open source-kontrolhardware-økosystem, og det bliver hurtigt adopteret af kvantesamfundet."

Ingeniører, der designer kvantecomputere, håndterer udfordringen med at bygge bro mellem de to tilsyneladende inkompatible verdener af kvantecomputere og klassiske computere. Kvantecomputere er baseret på kvantemekanikkens kontraintuitive, probabilistiske regler, der styrer den mikroskopiske verden, hvilket gør dem i stand til at udføre beregninger, som almindelige computere ikke kan. Fordi mennesker lever i den makroskopiske synlige verden, hvor klassisk fysik hersker, fungerer kontrol- og udlæsningselektronik som tolken, der forbinder disse to verdener.

Kontrolelektronik bruger signaler fra den klassiske verden som instruktioner til computerens kvantebit eller qubits, mens udlæsningselektronik måler qubitternes tilstande og formidler den information tilbage til den klassiske verden.

En lovende teknologi til kvantecomputere bruger superledende kredsløb som qubits. I øjeblikket bruger de fleste kontrol- og udlæsningssystemer til superledende kvantecomputere kommercielt udstyr, der ikke er specialiseret til opgaven. Som følge heraf skal forskere ofte samle et dusin eller dyrere komponenter. Omkostningerne kan hurtigt løbe op i titusindvis af dollars pr. qubit, og den store størrelse af disse systemer skaber flere problemer.

På trods af de seneste teknologiske fremskridt har qubits stadig en relativt kort levetid, generelt en brøkdel af et millisekund, hvorefter de genererer fejl. "Når du arbejder med qubits, er tiden afgørende. Klassisk elektronik tager tid at reagere på qubits, hvilket begrænser computerens ydeevne," sagde Cancelo.

Ligesom effektiviteten af ​​en tolk afhænger af hurtig kommunikation, afhænger effektiviteten af ​​et kontrol- og udlæsningssystem af dets ekspeditionstid. Og et stort system lavet af mange moduler betyder lange ekspeditionstider.

For at løse dette problem har Cancelo og hans team hos Fermilab designet et kompakt kontrol- og udlæsningssystem. Holdet inkorporerede mulighederne for et helt rack udstyr i et enkelt elektronikkort, der er lidt større end en bærbar computer. Det nye system er specialiseret, men alligevel alsidigt nok til at være kompatibelt med mange designs af superledende qubits.

"Vi designer et generelt instrument til en lang række qubits, i håb om at dække dem, der vil blive designet seks måneder eller et år fra nu," sagde Cancelo. "Med vores kontrol- og udlæsningselektronik kan du opnå funktionalitet og ydeevne, som er svær eller umulig at gøre med kommercielt udstyr."

Styringen og udlæsningen af ​​qubits afhænger af mikrobølgeimpulser - radiobølger ved frekvenser svarende til de signaler, der bærer mobiltelefonopkald og opvarmer mikrobølgemiddage. Fermilab-teamets radiofrekvenskort (RF) indeholder mere end 200 elementer:mixere til at justere frekvenserne; filtre til at fjerne uønskede frekvenser; forstærkere og dæmpere til at justere amplituden af ​​signalerne; og skifter til at tænde og slukke for blinklys. The board also contains a low-frequency control to tune certain qubit parameters. Together with a commercial field-programmable gate array, or FPGA, board, which serves as the "brains" of the computer, the RF board provides everything scientists need to communicate successfully with the quantum world.

The two compact boards cost about 10 times less to produce than conventional systems. In their simplest configuration, they can control eight qubits. Integrating all the RF components into one board allows for faster, more precise operation as well as real-time feedback and error correction.

"You need to inject signals that are very, very fast and very, very short," said Fermilab engineer Leandro Stefanazzi, a member of the team. "If you don't control both the frequency and duration of these signals very precisely, then your qubit won't behave the way you want."

Designing the RF board and layout took about six months and presented substantial challenges:adjacent circuit elements had to match precisely so that signals would travel smoothly without bouncing and interfering with each other. Plus, the engineers had to carefully avoid layouts that would pick up stray radio waves from sources like cell phones and WiFi. Along the way, they ran simulations to verify that they were on the right track.

The design is now ready for fabrication and assembly, with the goal of having working RF boards this summer.

Throughout the process, the Fermilab engineers tested their ideas with the University of Chicago. The new RF board is ideal for researchers like Schuster who seek to make fundamental advances in quantum computing using a wide variety of quantum computer architectures and devices.

"I often joke that this one board is going to potentially replace almost all of the test equipment that I have in my lab," said Schuster. "Getting to team up with people who can make electronics work at that level is incredibly rewarding for us."

The new system is easily scalable. Frequency multiplexing qubit controls, analogous to sending multiple phone conversations over the same cable, would allow a single RF board to control up to 80 qubits. Thanks to their small size, several dozen boards could be linked together and synchronized to the same clock as part of larger quantum computers. Cancelo and his colleagues described their new system in a paper recently published in the AIP Review of Scientific Instruments .

The Fermilab engineering team has taken advantage of a new commercial FPGA chip, the first to integrate digital-to-analog and analog-to-digital converters directly into the board. It substantially speeds up the process of creating the interface between the FPGA and RF boards, which would have taken months without it. To improve future versions of its control and readout system, the team has started designing its own FPGA hardware.

The development of QICK was supported by QuantISED, the Quantum Science Center (QSC) and later by the Fermilab-hosted Superconducting Quantum Materials and Systems Center (SQMS). The QICK electronics is important for research at the SQMS, where scientists are developing superconducting qubits with long lifetimes. It is also of interest to a second national quantum center where Fermilab plays a key role, the QSC hosted by Oak Ridge National Laboratory.

A low-cost version of the hardware is now available only for universities for educational purposes. "Due to its low cost, it allows smaller institutions to have powerful quantum control without spending hundreds of thousands of dollars," said Cancelo.

"From a scientific point of view, we are working on one of the hottest topics in physics of the decade as an opportunity," he added. "From an engineering point of view, what I enjoy is that many areas of electronic engineering need to come together to be able to successfully execute this project." + Udforsk yderligere

How a novel radio frequency control system enhances quantum computers