Een team van natuurkundigen en ingenieurs van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) heeft met succes de haalbaarheid aangetoond van goedkope en krachtige radiofrequentiemodules voor qubit-regelingen bij kamertemperatuur. Ze bouwden een reeks compacte radiofrequentiemodules (RF) die signalen mixen om de betrouwbaarheid van besturingssystemen voor supergeleidende kwantumprocessors te verbeteren. Hun tests toonden aan dat het gebruik van modulaire ontwerpmethoden de kosten en omvang van traditionele RF-besturingssystemen vermindert, terwijl ze nog steeds superieure of vergelijkbare prestatieniveaus leveren aan die welke in de handel verkrijgbaar zijn.

Hun onderzoek, vermeld als opmerkelijk in de Review of Scientific Instruments en geselecteerd als een Scilight door het American Institute of Physics, is open source en is overgenomen door andere groepen op het gebied van kwantuminformatiewetenschap (QIS). Het team verwacht dat het compacte ontwerp van de RF-modules ook geschikt is voor aanpassing aan de andere qubit-technologieën. Het onderzoek is uitgevoerd op het Advanced Quantum Testbed (AQT) van Berkeley Lab, een gezamenlijk onderzoeksprogramma dat wordt gefinancierd door het Office of Science van het Amerikaanse Department of Energy.

Een kwestie van schaal

Ondanks aanzienlijke vooruitgang in het bouwen van processors met meer qubits, die uiteindelijk nodig zullen zijn om een ​​kwantumvoordeel ten opzichte van klassieke computers aan te tonen, blijven kwantumcomputers luidruchtig en foutgevoelig. Elke extra qubit introduceert nieuwe lagen van complexiteit en mogelijkheden voor elektrische storingen, vooral bij kamertemperatuur. Deze groei in complexiteit en rekenkracht vereist een heroverweging van bepaalde kernbesturingselementen.

Traditionele RF-besturingssystemen gebruiken analoge circuits om supergeleidende qubits te besturen, maar ze kunnen omvangrijk en overweldigend complex worden, waardoor ze een potentieel storingspunt vormen en de kosten voor hardwarebesturing verhogen. AQT-onderzoekers Gang Huang en Yilun Xu van Berkeley Lab's Accelerator Technology and Applied Physics Division (ATAP) demonstreerden een nieuwe manier om qubits te besturen die al andere quantum computing-projecten verbetert in het gebruikersprogramma van het testbed. Het team heeft de grotere, duurdere traditionele RF-besturingssystemen vervangen door een systeem dat is gebouwd in Berkeley Lab, dat gebruikmaakt van kleinere interactieve mengmodules.

Een belangrijk aspect van dit modulaire systeem is het leveren van RF-signalen met een hoge resolutie en weinig ruis die nodig zijn om de supergeleidende qubit bij kamertemperatuur te manipuleren en te meten. Om dit te doen, is het belangrijk om de qubit-manipulatie en meetsignaalfrequentie te verschuiven tussen de elektronische basisband en het kwantumsysteem.

"De nieuwe module vertoont een ruisarme, zeer betrouwbare werking en wordt nu onze laboratoriumstandaard voor microgolffrequentiemodulatie/demodulatie in veel verschillende experimentele configuraties in AQT", legt Huang uit.

Door de ruisarme RF-mengmodule van het team te gebruiken om de bandbreedte met een beperkte tussenfrequentie tussen de elektronische basisband en de intrinsieke band van het kwantumsysteem te verschuiven, kunnen onderzoekers minder luidruchtige converters gebruiken voor betere prestaties en tegen lagere kosten.

Huang en Xu zeiden dat hoewel hun systeem is ontworpen voor supergeleidende systemen, het kan worden uitgebreid naar andere kwantuminformatiewetenschapsplatforms. "Over het algemeen kan de architectuur van RF-mixing worden uitgebreid naar hogere frequenties", merkten ze op. "Als we daarom sommige elektronische componenten met de juiste frequentie vervangen, zou dit soort compact ontwerp zich moeten kunnen aanpassen aan de andere qubit-platforms, d.w.z. halfgeleider-qubit-systemen."

Onderzoekers hebben ook elektromagnetische interferentieafscherming ontworpen om ongewenste verstoringen te elimineren, die de signaalintegriteit verminderen en de algehele prestaties beperken. Deze afscherming is bedoeld om te voorkomen dat het signaal weglekt en interfereert met de omringende elektronica - een veelvoorkomend probleem voor kwantumcomputers.

Open source, open hardware

Met de release van een besturingssysteem dat open source is, hoopt het team dat de bredere gemeenschap de repository gebruikt en eraan bijdraagt, waardoor de hardware wordt verbeterd. Door een paar elektronische componenten met de juiste frequentie te vervangen, kan dit soort compact ontwerp zich aanpassen aan een verscheidenheid aan kwantumcomputerfaciliteiten.

"Dit is een van onze eerste pogingen om een ​​open source-besturingssysteem te ontwikkelen voor supergeleidende kwantumprocessors", legt Huang uit. "We zullen doorgaan met het optimaliseren van de fysieke grootte en kosten van de module en verder integreren met onze op FPGA gebaseerde controller om de uitbreidbaarheid van het qubit-besturingssysteem te verbeteren."

Vooruitkijkend bouwen de onderzoekers al voort op deze inspanningen om nieuwe mogelijkheden in quantum computing te creëren en een nieuwe technologie aan te bieden om qubits aan te sturen.

"Een dergelijke integratie en optimalisatie zal op kamertemperatuur gebaseerde regelsystemen helpen gelijke tred te houden met de ontwikkelingen in de complexiteit van kwantumprocessors", merkte Xu op.