Нова управляваща електроника за квантовите компютри, която подобрява производителността, намалява разходите


Инженерите разработват нова управляваща електроника за квантовите компютри, която подобрява производителността, намалява разходите

Густаво Кансело ръководи екип от инженери на Fermilab да създадат нова компактна електронна платка: тя има възможностите на цял багажник от оборудване, което е съвместимо с много дизайни на свръхпроводящи кубити на малка част от цената. Кредит: Райън Постел, Fermilab

При проектирането на квантов компютър от следващо поколение изненадващо голям проблем е преодоляването на комуникационната пропаст между класическия и квантовия свят. Такива компютри се нуждаят от специализирана електроника за управление и отчитане, за да превеждат напред-назад между човешкия оператор и езиците на квантовия компютър, но съществуващите системи са тромави и скъпи.

Въпреки това, нова система от електроника за управление и отчитане, известна като Quantum Instrumentation Control Kit, или QICK, разработена от инженери в Националната ускорителна лаборатория Fermi на Министерството на енергетиката на САЩ, се оказа, че подобрява драстично производителността на квантовите компютри, като същевременно намалява разходите за оборудване за управление .

„Разработването на комплекта за управление на квантовите инструменти е отличен пример за инвестиране на САЩ в съвместни изследвания на квантовите технологии с партньорства между индустрията, академичните среди и правителството за ускоряване на предконкурентните технологии за квантово изследване и развитие“, каза Хариет Кунг, заместник-директор по науката на DOE програми за Службата на науката и временно изпълняващ длъжността асоцииран директор по наука за физика на високите енергии.

По-бързите и по-рентабилни контроли бяха разработени от екип инженери на Fermilab, водени от старши главен инженер Густаво Кансело в сътрудничество с Чикагския университет, чиято цел беше да създаде и тества контролер, базиран на полеви програмируеми порти (FPGA) за експерименти с квантови изчисления. Дейвид Шустър, физик от Чикагския университет, ръководи лабораторията на университета, която помогна със спецификациите и проверката на реален хардуер.

„Това е точно този тип проект, който съчетава силните страни на национална лаборатория и университет“, каза Шустер. „Има ясна нужда от хардуерна екосистема за контрол с отворен код и тя бързо се възприема от квантовата общност.

Инженерите, които проектират квантови компютри, се справят с предизвикателството за свързване на двата привидно несъвместими свята на квантовите и класическите компютри. Квантовите компютри се основават на противоинтуитивните, вероятностни правила на квантовата механика, които управляват микроскопичния свят, което им позволява да извършват изчисления, които обикновените компютри не могат. Тъй като хората живеят в макроскопичния видим свят, където царува класическата физика, електрониката за управление и отчитане действа като интерпретатор, свързващ тези два свята.

Контролната електроника използва сигнали от класическия свят като инструкции за квантовите битове на компютъра или кубити, докато електрониката за отчитане измерва състоянията на кубитите и предава тази информация обратно в класическия свят.

Една обещаваща технология за квантовите компютри използва свръхпроводящи вериги като кубити. Понастоящем повечето системи за управление и отчитане на свръхпроводящи квантови компютри използват готово търговско оборудване, което не е специализирано за тази задача. В резултат на това изследователите често трябва да нареждат десетина или по-скъпи компоненти. Цената може бързо да достигне до десетки хиляди долари на кубита големият размер на тези системи създава повече проблеми.

Въпреки скорошния технологичен напредък, кубитите все още имат сравнително кратък живот, обикновено част от милисекунда, след което генерират грешки. “Когато работите с кубити, времето е от решаващо значение. На класическата електроника е необходимо време, за да отговори на кубитите, ограничавайки производителността на компютъра”, каза Кансело.

Точно както ефективността на преводача зависи от бързата комуникация, ефективността на системата за контрол и отчитане зависи от времето на нейното изпълнение. А голяма система, съставена от много модули, означава дълго време за изпълнение.

За да се справят с този проблем, Кансело и неговият екип във Fermilab проектираха компактна система за управление и отчитане. Екипът включи възможностите на цял багажник от оборудване в една електронна платка, малко по-голяма от лаптоп. Новата система е специализирана, но е достатъчно гъвкава, за да бъде съвместима с много дизайни на свръхпроводящи кубити.

„Ние проектираме общ инструмент за голямо разнообразие от кубити, надявайки се да покрием тези, които ще бъдат проектирани след шест месеца или година“, каза Кансело. „С нашата електроника за управление и отчитане можете да постигнете функционалност и производителност, които е трудно или невъзможно да се направи с търговско оборудване.“

Инженерите разработват нова управляваща електроника за квантовите компютри, която подобрява производителността, намалява разходите

Повечето от настоящите системи за контрол и отчитане за свръхпроводящи квантови компютри използват готово търговско оборудване, в което изследователите трябва да наредят дузина или по-скъпи компоненти, което води до обемиста и скъпа система за управление. Кредит: Чикагския университет

Контролът и отчитането на кубити зависят от микровълнови импулси – радиовълни с честоти, подобни на сигналите, които носят разговори по мобилни телефони и загряват вечери в микровълновата печка. Екипът на Fermilab радио честота (RF) платката съдържа повече от 200 елемента: миксери за настройка на честотите; филтри за премахване на нежелани честоти; усилватели и атенюатори за регулиране на амплитудата на сигналите; и превключва за включване и изключване на мигачите. Платката също така съдържа нискочестотен контрол за настройка на определени параметри на qubit. Заедно с комерсиална полево програмируема входна матрица или FPGA, платка, която служи като „мозък“ на компютъра, RF платката предоставя всичко необходимо на учените, за да комуникират успешно с квантовия свят.

Производството на двете компактни дъски струва около 10 пъти по-малко от конвенционалните системи. В най-простата си конфигурация те могат да управляват осем кубита. Интегрирането на всички RF компоненти в една платка позволява по-бърза, по-прецизна работа, както и обратна връзка в реално време и корекция на грешки.

„Трябва да инжектирате сигнали, които са много, много бързи и много, много кратки“, каза инженерът на Fermilab Леандро Стефанаци, член на екипа. “Ако не контролирате честотата и продължителността на тези сигнали много точно, тогава вашият кубит няма да се държи по начина, по който искате.”

Проектирането на RF платката и оформлението отне около шест месеца и създаде съществени предизвикателства: съседните елементи на веригата трябваше да съвпадат точно, така че сигналите да се движат гладко, без да отскачат и да се намесват един в друг. Освен това инженерите трябваше внимателно да избягват оформления, които биха се забъркали радио вълни от източници като мобилни телефони и WiFi. По пътя те проведоха симулации, за да потвърдят, че са на прав път.

Дизайнът вече е готов за производство и монтаж, с цел това лято да има работещи RF платки.

По време на процеса инженерите на Fermilab тестваха идеите си с Чикагския университет. Новата RF платка е идеална за изследователи като Шустер, които се стремят да постигнат фундаментален напредък в квантовите изчисления, използвайки голямо разнообразие от квантови компютърни архитектури и устройства.

„Често се шегувам, че тази една платка потенциално ще замени почти цялото тестово оборудване, което имам в моята лаборатория“, каза Шустер. “Да се ​​обединим с хора, които могат да накарат електрониката да работи на това ниво, е невероятно възнаграждаващо за нас.”

Новата система е лесно мащабируема. Кубитовите контроли за честотно мултиплексиране, аналогични на изпращането на множество телефонни разговори по един и същ кабел, биха позволили на една RF платка да контролира до 80 кубита. Благодарение на малкия си размер, няколко десетки платки могат да бъдат свързани заедно и синхронизирани със същия часовник като част от по-големи квантови компютри. Кансело и колегите му описаха новата си система в статия, публикувана наскоро в AIP преглед на научни инструменти.

Инженерният екип на Fermilab се възползва от нов търговски FPGA чип, първият, който интегрира цифрово-аналогови и аналогово-цифрови преобразуватели директно в платката. Това значително ускорява процеса на създаване на интерфейса между FPGA и RF платките, което би отнело месеци без него. За да подобри бъдещите версии на своята система за управление и отчитане, екипът започна да проектира свой собствен FPGA хардуер.

Разработването на QICK беше подкрепено от QuantISED, квантовия научен център (QSC) и по-късно от хоствания от Fermilab Център за свръхпроводящи квантови материали и системи (SQMS). Електрониката QICK е важна за изследванията в SQMS, където учените разработват свръхпроводящи кубити с дълъг живот. Той също така представлява интерес за втори национален квантов център, където Fermilab играе ключова роля, QSC, домакин на Oak Ridge National Laboratory.

Евтината версия на хардуера вече е достъпна само за университети за образователни цели. „Поради ниската си цена позволява на по-малките институции да имат мощен квантов контрол, без да харчат стотици хиляди долари“, каза Кансело.

„От научна гледна точка ние работим по една от най-горещите теми във физиката на десетилетието като възможност“, добави той. „От инженерна гледна точка това, което ми харесва е, че много области на електронното инженерство трябва да се обединят, за да могат успешно да изпълнят този проект.“


Как нова система за радиочестотен контрол подобрява квантовите компютри


Повече информация:
Leandro Stefanazzi et al, QICK (Квантов комплект за управление на инструментите): Отчитане и контрол за кубити и детектори, Преглед на научни инструменти (2022 г.). DOI: 10.1063/5.0076249

Цитат: Нова управляваща електроника за квантовите компютри, която подобрява производителността, намалява разходите (2022 г., 3 май) извлечена на 4 май 2022 г. от https://phys.org/news/2022-05-electronics-quantum.html

Този документ е обект на авторско право. Освен всяка честна сделка с цел частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писменото разрешение. Съдържанието е предоставено само за информационни цели.