Nauja kvantinių kompiuterių valdymo elektronika, kuri pagerina našumą ir mažina išlaidas

Kuriant naujos kartos kvantinį kompiuterį, stebėtinai didelė problema yra įveikti komunikacijos atotrūkį tarp klasikinio ir kvantinio pasaulių. Tokiems kompiuteriams reikia specializuotos valdymo ir nuskaitymo elektronikos, kad būtų galima versti pirmyn ir atgal tarp žmogaus operatoriaus ir kvantinio kompiuterio kalbų, tačiau esamos sistemos yra sudėtingos ir brangios.

Tačiau įrodyta, kad nauja valdymo ir nuskaitymo elektronikos sistema, žinoma kaip Quantum Instrumentation Control Kit arba QICK, kurią sukūrė JAV Energetikos departamento Fermi nacionalinės greitintuvo laboratorijos inžinieriai, drastiškai pagerina kvantinio kompiuterio našumą ir sumažina valdymo įrangos kainą. .

„Kvantinių instrumentų valdymo rinkinio sukūrimas yra puikus JAV investicijų į bendrus kvantinių technologijų tyrimus su pramonės, akademinės bendruomenės ir vyriausybės partnerystėmis pavyzdys, siekiant paspartinti ikikonkurencinius kvantinius tyrimus ir plėtros technologijas“, – sakė Harriet Kung, DOE direktoriaus pavaduotoja mokslui. Programos Mokslo biurui ir einantis didelės energijos fizikos mokslų direktoriaus pavaduotojo pareigas.

Greitesnius ir ekonomiškesnius valdiklius sukūrė „Fermilab“ inžinierių komanda, vadovaujama vyresniojo vyriausiojo inžinieriaus Gustavo Cancelo, bendradarbiaudama su Čikagos universitetu, kurios tikslas buvo sukurti ir išbandyti lauke programuojamų vartų masyvo (FPGA) valdiklį. kvantinio skaičiavimo eksperimentai. Davidas Schusteris, Čikagos universiteto fizikas, vadovavo universiteto laboratorijai, kuri padėjo nustatyti specifikacijas ir patikrinti tikros aparatinės įrangos.

„Būtent tokio tipo projektas sujungia nacionalinės laboratorijos ir universiteto stipriąsias puses“, – sakė Schusteris. “Yra aiškus atvirojo kodo valdymo aparatinės įrangos ekosistemos poreikis, ir kvantinė bendruomenė ją greitai perima.”

Kvantinius kompiuterius projektuojantys inžinieriai susiduria su iššūkiu sujungti du iš pažiūros nesuderinamus kvantinių ir klasikinių kompiuterių pasaulius. Kvantiniai kompiuteriai yra pagrįsti priešintuityviomis, tikimybinėmis kvantinės mechanikos taisyklėmis, kurios valdo mikroskopinį pasaulį, todėl jie gali atlikti skaičiavimus, kurių negali atlikti įprasti kompiuteriai. Kadangi žmonės gyvena makroskopiniame matomame pasaulyje, kuriame karaliauja klasikinė fizika, valdymo ir skaitymo elektronika veikia kaip interpretatorius, jungiantis šiuos du pasaulius.

Valdymo elektronika naudoja klasikinio pasaulio signalus kaip kompiuterio kvantinių bitų arba kubitų instrukcijas, o skaitymo elektronika matuoja kubitų būsenas ir perduoda tą informaciją atgal į klasikinį pasaulį.

Viena perspektyvi kvantinių kompiuterių technologija naudoja superlaidžias grandines kaip kubitus. Šiuo metu dauguma superlaidžių kvantinių kompiuterių valdymo ir nuskaitymo sistemų naudoja paruoštą komercinę įrangą, kuri nėra specializuota šiai užduočiai atlikti. Dėl to tyrėjai dažnai turi sujungti keliolika ar brangesnių komponentų. Kaina gali greitai pridėti iki dešimčių tūkstančių dolerių už vieną kubitaso didelis šių sistemų dydis sukelia daugiau problemų.

Nepaisant naujausių technologijų pažangos, kubitai vis dar turi palyginti trumpą tarnavimo laiką, paprastai milisekundės dalį, o po to jie sukuria klaidas. “Kai dirbate su kubitais, laikas yra labai svarbus. Klasikinei elektronikai reikia laiko, kad reaguotų į kubitus, o tai riboja kompiuterio našumą”, – sakė Cancelo.

Kaip vertėjo veiksmingumas priklauso nuo greito bendravimo, valdymo ir nuskaitymo sistemos efektyvumas priklauso nuo jos apyvartos laiko. O didelė sistema, sudaryta iš daugelio modulių, reiškia ilgą apyvartos laiką.

Norėdami išspręsti šią problemą, Cancelo ir jo komanda Fermilab sukūrė kompaktišką valdymo ir nuskaitymo sistemą. Komanda sujungė visos įrangos stelažo galimybes vienoje elektronikos plokštėje, kuri yra šiek tiek didesnė nei nešiojamasis kompiuteris. Naujoji sistema yra specializuota, tačiau ji yra pakankamai universali, kad būtų suderinama su daugeliu superlaidžių kubitų konstrukcijų.

„Kuriame bendrą instrumentą įvairiems kubitams, tikėdamiesi aprėpti tuos, kurie bus sukurti po šešių mėnesių ar metų“, – sakė Cancelo. “Naudodami mūsų valdymo ir skaitymo elektroniką galite pasiekti funkcionalumą ir našumą, kurį sunku arba neįmanoma padaryti su komercine įranga.”

Kubitų valdymas ir nuskaitymas priklauso nuo mikrobangų impulsų – radijo bangų, kurių dažnis panašus į signalus, kuriais siunčiami mobiliojo telefono skambučiai ir šildomi mikrobangų pietūs. „Fermilab“ komanda radijo dažnis (RF) plokštėje yra daugiau nei 200 elementų: maišytuvai dažniams keisti; filtrai nepageidaujamiems dažniams pašalinti; stiprintuvai ir slopintuvai signalų amplitudei reguliuoti; ir jungikliai įjungti ir išjungti signalus. Plokštėje taip pat yra žemo dažnio valdiklis, skirtas sureguliuoti tam tikrus qubit parametrus. Kartu su komercine lauke programuojamu vartų matrica arba FPGA plokšte, kuri tarnauja kaip kompiuterio „smegenys“, RF plokštė suteikia viską, ko mokslininkams reikia norint sėkmingai bendrauti su kvantiniu pasauliu.

Dviejų kompaktiškų plokščių gamyba kainuoja apie 10 kartų pigiau nei įprastų sistemų. Paprasčiausia konfigūracija jie gali valdyti aštuonis kubitus. Visų RF komponentų integravimas į vieną plokštę leidžia greičiau, tiksliau veikti, taip pat gauti grįžtamąjį ryšį realiuoju laiku ir taisyti klaidas.

„Reikia įvesti signalus, kurie yra labai, labai greiti ir labai labai trumpi“, – sakė komandos narys „Fermilab“ inžinierius Leandro Stefanazzi. „Jei labai tiksliai nekontroliuosite šių signalų dažnio ir trukmės, jūsų kubitas elgsis ne taip, kaip norite.

RF plokštės ir išdėstymo projektavimas užtruko apie šešis mėnesius ir iškilo didelių iššūkių: gretimi grandinės elementai turėjo tiksliai sutapti, kad signalai sklistų sklandžiai, nešokinėdami ir netrukdydami vienas kitam. Be to, inžinieriai turėjo atsargiai vengti maketų, kurie pakeltų klaidinimus Radio bangos iš tokių šaltinių kaip mobilieji telefonai ir WiFi. Pakeliui jie vykdė modeliavimą, kad patikrintų, ar eina teisingu keliu.

Dabar dizainas paruoštas gamybai ir surinkimui, siekiant šią vasarą turėti veikiančias RF plokštes.

Viso proceso metu „Fermilab“ inžinieriai išbandė savo idėjas su Čikagos universitetu. Naujoji RF plokštė idealiai tinka mokslininkams, tokiems kaip Schuster, kurie siekia padaryti esminę pažangą kvantinio skaičiavimo srityje, naudodami daugybę kvantinių kompiuterių architektūrų ir įrenginių.

„Dažnai juokauju, kad ši viena lenta gali pakeisti beveik visą bandymo įrangą, kurią turiu savo laboratorijoje“, – sakė Schusteris. „Mums nepaprastai naudinga bendrauti su žmonėmis, galinčiais priversti elektroniką dirbti tokiu lygiu.

Naujoji sistema yra lengvai keičiama. Dažnio tankinimo kubitų valdikliai, analogiški kelių telefono pokalbių siuntimui tuo pačiu kabeliu, leistų viena RF plokštė valdyti iki 80 kubitų. Dėl mažo dydžio keliasdešimt plokščių gali būti sujungtos ir sinchronizuojamos su tuo pačiu laikrodžiu kaip didesnių kvantinių kompiuterių dalis. Cancelo ir jo kolegos aprašė savo naują sistemą neseniai paskelbtame dokumente AIP Mokslinių instrumentų apžvalga.

„Fermilab“ inžinierių komanda pasinaudojo naujos komercinės FPGA lusto pranašumais – pirmasis, kuris integruoja skaitmeninio į analoginį ir analoginį į skaitmeninį keitiklius tiesiai į plokštę. Tai žymiai pagreitina sąsajos tarp FPGA ir RF plokščių sukūrimo procesą, kuris be jo būtų užtrukęs mėnesius. Siekdama patobulinti būsimas valdymo ir nuskaitymo sistemos versijas, komanda pradėjo kurti savo FPGA aparatinę įrangą.

QICK kūrimą palaikė QuantISED, Quantum Science Center (QSC) ir vėliau Fermilab priglobtas Superlaidžių kvantinių medžiagų ir sistemų centras (SQMS). QICK elektronika yra svarbi SQMS tyrimams, kur mokslininkai kuria superlaidžius kubitus, kurių ilgaamžiškumas. Tai taip pat domina antrasis nacionalinis kvantinis centras, kuriame „Fermilab“ atlieka pagrindinį vaidmenį, QSC, kurį organizuoja Oak Ridge nacionalinė laboratorija.

Nebrangi aparatinės įrangos versija dabar prieinama tik universitetams švietimo tikslais. „Dėl mažų sąnaudų jis leidžia mažesnėms įstaigoms turėti galingą kvantinę kontrolę neišleidžiant šimtų tūkstančių dolerių“, – sakė Cancelo.

„Moksliniu požiūriu mes dirbame su viena karščiausių dešimtmečio fizikos temų kaip su galimybe“, – pridūrė jis. „Inžineriniu požiūriu man patinka tai, kad daugelis elektroninės inžinerijos sričių turi susijungti, kad būtų galima sėkmingai įgyvendinti šį projektą.