Ett team av fysiker och ingenjörer vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) demonstrerade framgångsrikt genomförbarheten av lågkostnads- och högpresterande radiofrekvensmoduler för qubit-kontroller vid rumstemperatur. De byggde en serie kompakta radiofrekvensmoduler (RF) som blandar signaler för att förbättra tillförlitligheten hos styrsystem för supraledande kvantprocessorer. Deras tester visade att användning av modulära designmetoder minskar kostnaden och storleken på traditionella RF-kontrollsystem samtidigt som de levererar överlägsna eller jämförbara prestandanivåer som de som finns kommersiellt tillgängliga.

Deras forskning, presenterad som anmärkningsvärd i Review of Scientific Instruments och väljs som en Scilight av American Institute of Physics, är öppen källkod och har antagits av andra grupper inom kvantinformationsvetenskap (QIS). Teamet förväntar sig att RF-modulernas kompakta design också är lämplig för anpassning till andra qubit-teknologier. Forskningen utfördes vid Advanced Quantum Testbed (AQT) vid Berkeley Lab, ett samarbetsforskningsprogram finansierat av U.S. Department of Energy's Office of Science.

En fråga av skala

Trots betydande framsteg när det gäller att bygga processorer med fler qubits, som i slutändan kommer att behövas för att visa en kvantfördel gentemot klassiska datorer, fortsätter kvantdatorer att vara bullriga och felbenägna. Varje ytterligare qubit introducerar nya lager av komplexitet och möjligheter för elektriska fel, speciellt vid rumstemperatur. Denna ökning av komplexitet och datorkraft kräver en omprövning av vissa centrala kontrollelement.

Traditionella RF-kontrollsystem använder analoga kretsar för att styra supraledande qubits, men de kan bli skrymmande och överväldigande komplexa, vilket fungerar som en potentiell punkt för fel och ökar kostnaderna för hårdvarukontroll. AQT-forskarna Gang Huang och Yilun Xu från Berkeley Labs Accelerator Technology and Applied Physics Division (ATAP) demonstrerade ett nytt sätt att kontrollera qubits som redan förbättrar andra kvantberäkningsprojekt i testbäddens användarprogram. Teamet ersatte de större, mer kostsamma traditionella RF-kontrollsystemen med ett som byggts på Berkeley Lab, som använder mindre interaktiva blandningsmoduler.

En nyckelaspekt av detta modulära system är att leverera högupplösta RF-signaler med låg brus som behövs för att manipulera och mäta den supraledande qubiten vid rumstemperatur. För att göra det är det viktigt att flytta qubit-manipulations- och mätsignalfrekvensen mellan elektronikbasbandet och kvantsystemet.

"Den nya modulen uppvisar låg brus och hög tillförlitlighet och håller nu på att bli vår laboratoriestandard för mikrovågsfrekvensmodulering/demodulering över många olika experimentella konfigurationer i AQT," förklarade Huang.

Genom att använda teamets lågbrusiga RF-blandningsmodul för att flytta bandbredden med en begränsad mellanfrekvens mellan elektronikbasbandet och kvantsystemets inneboende band gör det möjligt för forskare att använda mindre brusiga omvandlare för bättre prestanda och till en lägre kostnad.

Huang och Xu sa att även om deras system var designat för supraledande system, kunde det utökas till andra kvantinformationsvetenskapliga plattformar. "I allmänhet kan arkitekturen för RF-blandning utökas till högre frekvenser," noterade de. "Därför, om vi ersätter vissa elektroniska komponenter med lämplig frekvens, borde den här typen av kompakt design kunna anpassas till andra qubit-plattformar, d.v.s. halvledar-qubit-system."

Forskare designade också elektromagnetisk interferensskärmning för att eliminera oönskade störningar, vilket minskar signalintegriteten och begränsar den totala prestandan. Denna skärmning syftar till att förhindra att signalen läcker ut och stör omgivande elektronik - ett vanligt problem för kvantdatorer.

Öppen källkod, öppen maskinvara

Med lanseringen av ett kontrollsystem som är öppen källkod hoppas teamet att det bredare samhället använder och bidrar till förvaret och förbättrar hårdvaran. Genom att ersätta ett fåtal elektroniska komponenter med lämplig frekvens kan denna typ av kompakt design anpassa sig till en mängd olika kvantberäkningsfaciliteter.

"Detta är ett av våra första försök att utveckla ett kontrollsystem med öppen källkod för supraledande kvantprocessorer", förklarade Huang. "Vi kommer att fortsätta att optimera den fysiska storleken och kostnaden för modulen och ytterligare integrera med vår FPGA-baserade styrenhet för att förbättra utbyggbarheten för qubit-kontrollsystemet."

Framöver bygger forskarna redan på dessa ansträngningar för att skapa nya möjligheter inom kvantberäkning och erbjuda en ny teknik för att kontrollera qubits.

"Sådan integration och optimering kommer att hjälpa rumstemperaturbaserade styrsystem att hålla jämna steg med framsteg i komplexiteten hos kvantprocessorer", konstaterade Xu.