Bij het ontwerpen van een kwantumcomputer van de volgende generatie is een verrassend groot probleem het overbruggen van de communicatiekloof tussen de klassieke en de kwantumwereld. Dergelijke computers hebben gespecialiseerde besturings- en uitleeselektronica nodig om heen en weer te vertalen tussen de menselijke operator en de talen van de kwantumcomputer, maar bestaande systemen zijn omslachtig en duur.

Een nieuw systeem van besturings- en uitleeselektronica, bekend als Quantum Instrumentation Control Kit, of QICK, ontwikkeld door ingenieurs van het Fermi National Accelerator Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, heeft echter bewezen de prestaties van kwantumcomputers drastisch te verbeteren en tegelijkertijd de kosten van regelapparatuur te verlagen. .

"De ontwikkeling van de Quantum Instrumentation Control Kit is een uitstekend voorbeeld van Amerikaanse investeringen in gezamenlijk onderzoek naar kwantumtechnologie met partnerschappen tussen de industrie, de academische wereld en de overheid om precompetitieve kwantumonderzoeks- en ontwikkelingstechnologieën te versnellen", zegt Harriet Kung, adjunct-directeur van het DOE voor wetenschap. programma's voor het Office of Science en waarnemend associate director of science voor hoge-energiefysica.

De snellere en meer kostenefficiënte controles zijn ontwikkeld door een team van Fermilab-ingenieurs onder leiding van senior hoofdingenieur Gustavo Cancelo in samenwerking met de Universiteit van Chicago, wiens doel het was om een ​​field-programmable gate array-based (FPGA) controller te creëren en te testen voor experimenten met kwantumcomputers. David Schuster, een natuurkundige aan de Universiteit van Chicago, leidde het laboratorium van de universiteit dat hielp met de specificaties en verificatie op echte hardware.

"Dit is precies het soort project dat de sterke punten van een nationaal laboratorium en een universiteit combineert", zegt Schuster. "Er is een duidelijke behoefte aan een open-source hardware-ecosysteem voor controle en het wordt snel overgenomen door de kwantumgemeenschap."

Ingenieurs die kwantumcomputers ontwerpen, gaan de uitdaging aan om de twee schijnbaar onverenigbare werelden van kwantumcomputers en klassieke computers te overbruggen. Kwantumcomputers zijn gebaseerd op de contra-intuïtieve, probabilistische regels van de kwantummechanica die de microscopische wereld beheersen, waardoor ze berekeningen kunnen uitvoeren die gewone computers niet kunnen. Omdat mensen in de macroscopisch zichtbare wereld leven waar de klassieke natuurkunde heerst, fungeert besturings- en uitleeselektronica als de tolk die deze twee werelden met elkaar verbindt.

Besturingselektronica gebruikt signalen uit de klassieke wereld als instructies voor de kwantumbits of qubits van de computer, terwijl uitleeselektronica de toestanden van de qubits meet en die informatie terugbrengt naar de klassieke wereld.

Een veelbelovende technologie voor kwantumcomputers maakt gebruik van supergeleidende circuits als qubits. Momenteel gebruiken de meeste controle- en uitleessystemen voor supergeleidende kwantumcomputers kant-en-klare commerciële apparatuur die niet gespecialiseerd is voor de taak. Daardoor moeten onderzoekers vaak een tiental of duurdere componenten aan elkaar rijgen. De kosten kunnen snel oplopen tot tienduizenden dollars per qubit, en de grote omvang van deze systemen zorgt voor meer problemen.

Ondanks recente technologische ontwikkelingen hebben qubits nog steeds een relatief korte levensduur, meestal een fractie van een milliseconde, waarna ze fouten genereren. "Als je met qubits werkt, is tijd cruciaal. Klassieke elektronica heeft tijd nodig om op de qubits te reageren, waardoor de prestaties van de computer worden beperkt", zegt Cancelo.

Net zoals de effectiviteit van een tolk afhangt van snelle communicatie, hangt de effectiviteit van een controle- en uitleessysteem af van de doorlooptijd. En een groot systeem met veel modules betekent lange doorlooptijden.

Om dit probleem aan te pakken, hebben Cancelo en zijn team bij Fermilab een compact controle- en uitleessysteem ontworpen. Het team verwerkte de mogelijkheden van een heel rek met apparatuur in een enkel elektronicabord dat iets groter was dan een laptop. Het nieuwe systeem is gespecialiseerd, maar toch veelzijdig genoeg om compatibel te zijn met vele ontwerpen van supergeleidende qubits.

"We ontwerpen een algemeen instrument voor een grote verscheidenheid aan qubits, in de hoop die te dekken die over zes maanden of een jaar zullen worden ontworpen", zei Cancelo. "Met onze besturings- en uitleeselektronica kunt u functionaliteit en prestaties bereiken die moeilijk of onmogelijk te bereiken zijn met commerciële apparatuur."

De besturing en uitlezing van qubits is afhankelijk van microgolfpulsen - radiogolven met frequenties die vergelijkbaar zijn met de signalen die mobiele telefoongesprekken voeren en magnetronmaaltijden opwarmen. Het radiofrequentie (RF) bord van het Fermilab-team bevat meer dan 200 elementen:mixers om de frequenties aan te passen; filters om ongewenste frequenties te verwijderen; versterkers en verzwakkers om de amplitude van de signalen aan te passen; en schakelaars om de signalen aan en uit te zetten. 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." + Verder verkennen

How a novel radio frequency control system enhances quantum computers