Gustavo Cancelo ledde ett team av Fermilab-ingenjörer för att skapa ett nytt kompakt elektronikkort:Det har kapaciteten hos ett helt rack med utrustning som är kompatibel med många konstruktioner av supraledande qubits till en bråkdel av kostnaden. Kredit:Ryan Postel, Fermilab
När man designar en nästa generations kvantdator är ett förvånansvärt stort problem att överbrygga kommunikationsgapet mellan den klassiska och kvantvärlden. Sådana datorer behöver en specialiserad kontroll- och utläsningselektronik för att översätta fram och tillbaka mellan den mänskliga operatören och kvantdatorns språk – men befintliga system är besvärliga och dyra.
Ett nytt system för styr- och avläsningselektronik, känt som Quantum Instrumentation Control Kit, eller QICK, utvecklat av ingenjörer vid det amerikanska energidepartementets Fermi National Accelerator Laboratory, har visat sig drastiskt förbättra kvantdatorernas prestanda samtidigt som kostnaderna för kontrollutrustning minskar. .
"Utvecklingen av Quantum Instrumentation Control Kit är ett utmärkt exempel på amerikansk investering i gemensam kvantteknologisk forskning med partnerskap mellan industri, akademi och myndigheter för att påskynda pre-konkurrensutsatt kvantforskning och utvecklingsteknik", säger Harriet Kung, DOE biträdande direktör för vetenskap program för Office of Science och tillförordnad biträdande vetenskapschef för högenergifysik.
De snabbare och mer kostnadseffektiva kontrollerna utvecklades av ett team av Fermilab-ingenjörer ledda av senior chefingenjör Gustavo Cancelo i samarbete med University of Chicago vars mål var att skapa och testa en fältprogrammerbar gate array-baserad (FPGA) styrenhet för kvantberäkningsexperiment. David Schuster, fysiker vid University of Chicago, ledde universitetets labb som hjälpte till med specifikationer och verifiering av riktig hårdvara.
"Det här är exakt den typen av projekt som kombinerar styrkorna hos ett nationellt laboratorium och ett universitet", sa Schuster. "Det finns ett tydligt behov av ett ekosystem för kontrollhårdvara med öppen källkod, och det antas snabbt av kvantgemenskapen."
Ingenjörer som designar kvantdatorer hanterar utmaningen att överbrygga de två till synes inkompatibla världarna av kvantdatorer och klassiska datorer. Kvantdatorer är baserade på kvantmekanikens kontraintuitiva, probabilistiska regler som styr den mikroskopiska världen, vilket gör att de kan utföra beräkningar som vanliga datorer inte kan. Eftersom människor lever i den makroskopiska synliga världen där klassisk fysik härskar, fungerar kontroll- och avläsningselektronik som tolken som förbinder dessa två världar.
Styrelektronik använder signaler från den klassiska världen som instruktioner för datorns kvantbitar, eller qubits, medan avläsningselektronik mäter qubitarnas tillstånd och förmedlar den informationen tillbaka till den klassiska världen.
En lovande teknik för kvantdatorer använder supraledande kretsar som qubits. För närvarande använder de flesta kontroll- och avläsningssystem för supraledande kvantdatorer kommersiell utrustning från hyllan som inte är specialiserad för uppgiften. Som ett resultat måste forskare ofta sätta ihop ett dussin eller dyrare komponenter. Kostnaden kan snabbt uppgå till tiotusentals dollar per qubit, och den stora storleken på dessa system skapar fler problem.
Trots de senaste tekniska framstegen har qubits fortfarande en relativt kort livslängd, vanligtvis en bråkdel av en millisekund, varefter de genererar fel. "När du arbetar med qubits är tiden avgörande. Klassisk elektronik tar tid att svara på qubits, vilket begränsar datorns prestanda", säger Cancelo.
Precis som en tolks effektivitet beror på snabb kommunikation, beror effektiviteten hos ett kontroll- och avläsningssystem på dess handläggningstid. Och ett stort system av många moduler innebär långa handläggningstider.
För att lösa detta problem designade Cancelo och hans team på Fermilab ett kompakt kontroll- och avläsningssystem. Teamet inkorporerade kapaciteten hos ett helt rack med utrustning i ett enda elektronikkort som är något större än en bärbar dator. Det nya systemet är specialiserat, men det är tillräckligt mångsidigt för att vara kompatibelt med många konstruktioner av supraledande qubits.
"Vi designar ett allmänt instrument för ett stort antal qubits, i hopp om att täcka de som kommer att designas om sex månader eller ett år från nu," sa Cancelo. "Med vår kontroll- och avläsningselektronik kan du uppnå funktionalitet och prestanda som är svår eller omöjlig att göra med kommersiell utrustning."
De flesta av de nuvarande kontroll- och avläsningssystemen för supraledande kvantdatorer använder kommersiell utrustning från hyllan där forskare måste sätta ihop ett dussin eller dyrare komponenter vilket resulterar i skrymmande och dyra styrsystem. Kredit:University of Chicago
Styrningen och avläsningen av qubits beror på mikrovågspulser – radiovågor vid frekvenser som liknar de signaler som bär mobiltelefonsamtal och värmer upp mikrovågsmiddagar. Fermilab-teamets radiofrekvenskort (RF) innehåller mer än 200 element:mixers för att justera frekvenserna; filter för att ta bort oönskade frekvenser; förstärkare och dämpare för att justera amplituden för signalerna; och växlar till blinkers på och av. Kortet innehåller också en lågfrekvenskontroll för att ställa in vissa qubit-parametrar. 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." + Utforska vidare
