Eine skalierbare und benutzerfreundliche Plattform für Physiker zur kostengünstigen Durchführung fortgeschrittener Quantenexperimente

Quantencomputer können bestimmte Rechenprobleme viel schneller lösen als gewöhnliche Computer, indem sie bestimmte Quanteneigenschaften nutzen. Die Grundbausteine ​​solcher Maschinen werden Quantenbits oder Qubits genannt. Qubits können mithilfe verschiedener physikalischer Plattformen wie Kernspins, gefangenen Ionen, kalten Atomen, Photonen und mithilfe supraleitender Josephson-Schaltkreise realisiert werden.

Mehrere solcher Qubits arbeiten im Mikrowellenfrequenzbereich und erfordern eine spezielle Mikrowellenelektronik bei Raumtemperatur für die Steuerung und das Auslesen der Quantenzustände der Qubits. Es besteht jedoch eine Herausforderung darin, klassische Elektronik mit diesen Qubits zu verbinden. Die Qubits benötigen hochfrequente (GHz) elektromagnetische Signale für Steuer- und Ausleseimpulse in der Größenordnung von einigen zehn Nanosekunden.

Der herkömmliche Aufbau zur Erzeugung und Erfassung solcher Signale ist oft kostspielig und komplex und umfasst viele Komponenten. Dem kann durch die Entwicklung eines speziellen FPGA-basierten Systems begegnet werden, das die Funktionalität aller herkömmlichen Geräte auf einer einzigen Platine vereint. Bei solchen Entwicklungen müssen jedoch drei Hauptherausforderungen im Auge behalten werden: Erzeugung und Erfassung der hochauflösenden Mikrowellensignale, Skalierbarkeit und eine benutzerfreundliche Schnittstelle.

In einem neuen StudieForscher der Fakultäten für Physik und elektronische Systemtechnik (IISc) haben diese Herausforderungen mit der Entwicklung eines skalierbaren Quantenkontroll- und Auslesesystems (SQ-CARS) unter Verwendung der RFSoC-FPGA-Karte von Xilinx angegangen. Das Team testete sein SQ-CARS-System, indem es verschiedene Experimente mit supraleitenden Transmon-Qubits durchführte und es mit dem traditionellen Aufbau verglich.

„SQ-CARS ist eine recht vielseitige Elektronikplattform, die umfassend auf Geschwindigkeit, Skalierung, Komplexität und Kosten abgestimmt wurde und gleichzeitig Multi-Qubit-Geräte im Mikrowellenbereich misst“, sagt Vibhor Singh, außerordentlicher Professor am Fachbereich Physik, IISc , und einer der Autoren. „Soweit ich weiß, handelt es sich um die erste Deep-Tech-Initiative dieser Art aus Indien.“

Mit SQ-CARS haben die Forscher eine skalierbare und benutzerfreundliche Plattform entwickelt, mit der Physiker fortgeschrittene Quantenexperimente zu einem Bruchteil der Kosten (mehr als das Zehnfache der Kosten) und einer enormen Größenreduzierung durchführen können.

„Die zentrale Herausforderung bei der praktischen Entwicklung von Quantencomputern besteht darin, eine große Anzahl von Qubits mit Steuer- und Ausleseelektronik zu integrieren. Diese Arbeit legt den Grundstein für skalierbare einheimische Quantenprozessoren“, sagt Chetan Singh Thakur, außerordentlicher Professor in der Abteilung für elektronische Systemtechnik, IISc , einer der Autoren.

Der Artikel wird in der Zeitschrift veröffentlicht IEEE-Transaktionen zu Instrumentierung und Messung.