Hvordan et nyt radiofrekvenskontrolsystem forbedrer kvantecomputere

Et team af fysikere og ingeniører ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) demonstrerede med succes gennemførligheden af ​​billige og højtydende radiofrekvensmoduler til qubit-styringer ved stuetemperatur. De byggede en række kompakte radiofrekvensmoduler (RF), der blander signaler for at forbedre pålideligheden af ​​kontrolsystemer til superledende kvanteprocessorer. Deres test viste, at brug af modulære designmetoder reducerer omkostningerne og størrelsen af ​​traditionelle RF-kontrolsystemer, mens de stadig leverer overlegne eller sammenlignelige ydeevneniveauer med dem, der er kommercielt tilgængelige.

Deres forskning er fremhævet i Review of Scientific Instruments og valgt som en Scilight af American Institute of Physics, er open source og er blevet adopteret af andre kvanteinformationsvidenskabelige (QIS) grupper. Holdet forventer, at RF-modulernes kompakte design også er egnet til tilpasning til de andre qubit-teknologier. Forskningen blev udført på Advanced Quantum Testbed (AQT) ved Berkeley Lab, et forskningssamarbejde finansieret af US Department of Energy's Office of Science.

Et spørgsmål om skala

På trods af betydelige fremskridt i at bygge processorer med flere qubits, som i sidste ende vil være nødvendige for at demonstrere en kvantefordel i forhold til klassiske computere, fortsætter kvantecomputere med at være støjende og fejltilbøjelige. Hver ekstra qubit introducerer nye lag af kompleksitet og muligheder for elektrisk fejl, især ved stuetemperatur. Denne vækst i kompleksitet og computerkraft kræver en nytænkning af visse kernekontrolelementer.

Traditionelle RF-kontrolsystemer bruger analoge kredsløb til at styre superledende qubits, men de kan blive omfangsrige og overvældende komplekse, og dermed tjene som et potentielt fejlpunkt og øge omkostningerne til hardwarekontrol. AQT-forskerne Gang Huang og Yilun Xu fra Berkeley Labs Accelerator Technology and Applied Physics Division (ATAP) demonstrerede en ny måde at kontrollere qubits på, som allerede forbedrer andre kvanteberegningsprojekter i testbedets brugerprogram. Holdet erstattede de større, dyrere traditionelle RF-kontrolsystemer med et, der blev bygget på Berkeley Lab, som bruger mindre interaktive blandingsmoduler.

Et nøgleaspekt ved dette modulære system er at levere højopløsnings-lavstøj RF-signaler, der er nødvendige for at manipulere og måle den superledende qubit ved stuetemperatur. For at gøre det er det vigtigt at flytte qubit-manipulations- og målesignalfrekvensen mellem elektronikkens basebånd og kvantesystemet.

"Det nye modul udviser støjsvag drift med høj pålidelighed og er nu ved at blive vores laboratoriestandard for mikrobølgefrekvensmodulation/demodulation på tværs af mange forskellige eksperimentelle konfigurationer i AQT," forklarede Huang.

Ved at bruge holdets støjsvage RF-blandingsmodul til at flytte båndbredden med en begrænset mellemfrekvens mellem elektronikbasebåndet og kvantesystemets indre bånd giver forskere mulighed for at bruge mindre støjende konvertere for bedre ydeevne og til en lavere pris.

Huang og Xu sagde, at mens deres system var designet til superledende systemer, kunne det udvides til andre kvanteinformationsvidenskabelige platforme. "Generelt kan arkitekturen af ​​RF-blanding udvides til højere frekvenser," bemærkede de. "Derfor, hvis vi erstatter nogle elektroniske komponenter med passende frekvens, burde denne form for kompakt design være i stand til at tilpasse sig de andre qubit-platforme, dvs. halvleder-qubit-systemer."

Forskere designet også elektromagnetisk interferensafskærmning for at eliminere uønskede forstyrrelser, som reducerer signalintegriteten og begrænser den samlede ydeevne. Denne afskærmning har til formål at forhindre signalet i at lække ud og forstyrre den omgivende elektronik - et almindeligt problem for kvantecomputere.

Open Source, Open Hardware

Med udgivelsen af ​​et kontrolsystem, der er open source, håber teamet, at det bredere fællesskab bruger og bidrager til depotet, hvilket forbedrer hardwaren. Ved at erstatte nogle få elektroniske komponenter med passende frekvens, kan denne form for kompakt design tilpasse sig en række forskellige kvanteberegningsfaciliteter.

"Dette er en af ​​vores første bestræbelser på at udvikle et open source-kontrolsystem til superledende kvanteprocessorer," forklarede Huang. "Vi vil fortsætte med at optimere modulets fysiske størrelse og omkostninger og yderligere integrere med vores FPGA-baserede controller for at forbedre udvidelsesmulighederne for qubit-kontrolsystemet."

Når vi ser fremad, bygger forskerne allerede på disse bestræbelser på at skabe nye muligheder inden for kvantecomputere og tilbyde en ny teknologi til at styre qubits.

"Sådan integration og optimering vil hjælpe rumtemperaturbaserede kontrolsystemer med at holde trit med fremskridt i kompleksiteten af ​​kvanteprocessorer," bemærkede Xu.