Neue Steuerelektronik für Quantencomputer, die Leistung verbessert, Kosten senkt

Beim Entwurf eines Quantencomputers der nächsten Generation besteht ein überraschend großes Problem darin, die Kommunikationslücke zwischen der klassischen und der Quantenwelt zu überbrücken. Solche Computer benötigen eine spezialisierte Steuer- und Ausleseelektronik, um zwischen dem menschlichen Bediener und den Sprachen des Quantencomputers hin und her zu übersetzen – aber bestehende Systeme sind umständlich und teuer.

Ein neues System der Steuer- und Ausleseelektronik, bekannt als Quantum Instrumentation Control Kit oder QICK, das von Ingenieuren des Fermi National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums entwickelt wurde, hat jedoch bewiesen, dass es die Leistung von Quantencomputern drastisch verbessert und gleichzeitig die Kosten für Steuerausrüstung senkt .

„Die Entwicklung des Quantum Instrumentation Control Kit ist ein hervorragendes Beispiel für US-Investitionen in die gemeinsame Quantentechnologieforschung mit Partnerschaften zwischen Industrie, Wissenschaft und Regierung, um die vorwettbewerbliche Quantenforschung und -entwicklungstechnologien zu beschleunigen“, sagte Harriet Kung, stellvertretende Wissenschaftsdirektorin des DOE Programme für das Amt für Wissenschaft und kommissarischer stellvertretender Wissenschaftsdirektor für Hochenergiephysik.

Die schnelleren und kostengünstigeren Steuerungen wurden von einem Team von Fermilab-Ingenieuren unter der Leitung von Senior Principal Engineer Gustavo Cancelo in Zusammenarbeit mit der University of Chicago entwickelt, deren Ziel es war, einen feldprogrammierbaren Gate-Array-basierten (FPGA) Controller für zu entwickeln und zu testen Quantencomputing-Experimente. David Schuster, ein Physiker an der University of Chicago, leitete das Labor der Universität, das bei der Spezifikation und Überprüfung auf echter Hardware half.

„Das ist genau die Art von Projekt, das die Stärken eines nationalen Labors und einer Universität vereint“, sagte Schuster. „Es besteht ein eindeutiger Bedarf an einem Open-Source-Ökosystem für Steuerungshardware, und es wird von der Quanten-Community schnell angenommen.“

Ingenieure, die Quantencomputer entwerfen, stellen sich der Herausforderung, die beiden scheinbar unvereinbaren Welten von Quanten- und klassischen Computern zu überbrücken. Quantencomputer basieren auf den kontraintuitiven, probabilistischen Regeln der Quantenmechanik, die die mikroskopische Welt beherrschen, was es ihnen ermöglicht, Berechnungen durchzuführen, die gewöhnliche Computer nicht können. Da die Menschen in der makroskopisch sichtbaren Welt leben, in der die klassische Physik herrscht, fungiert die Steuer- und Ausleseelektronik als Dolmetscher, der diese beiden Welten verbindet.

Die Steuerelektronik verwendet Signale aus der klassischen Welt als Anweisungen für die Quantenbits oder Qubits des Computers, während die Ausleseelektronik die Zustände der Qubits misst und diese Informationen an die klassische Welt zurückgibt.

Eine vielversprechende Technologie für Quantencomputer nutzt supraleitende Schaltkreise als Qubits. Gegenwärtig verwenden die meisten Steuer- und Auslesesysteme für supraleitende Quantencomputer handelsübliche handelsübliche Geräte, die nicht auf diese Aufgabe spezialisiert sind. Infolgedessen müssen Forscher oft ein Dutzend oder mehr teure Komponenten aneinanderreihen. Die Kosten können sich schnell auf Zehntausende von Dollar pro Qubit summieren, und die Größe dieser Systeme schafft weitere Probleme.

Trotz der jüngsten technologischen Fortschritte haben Qubits immer noch eine relativ kurze Lebensdauer, im Allgemeinen einen Bruchteil einer Millisekunde, danach erzeugen sie Fehler. „Bei der Arbeit mit Qubits ist Zeit entscheidend. Die klassische Elektronik braucht Zeit, um auf die Qubits zu reagieren, was die Leistung des Computers einschränkt“, sagte Cancelo.

So wie die Effektivität eines Dolmetschers von einer schnellen Kommunikation abhängt, hängt die Effektivität eines Kontroll- und Auslesesystems von seiner Durchlaufzeit ab. Und ein großes System aus vielen Modulen bedeutet lange Durchlaufzeiten.

Um dieses Problem anzugehen, haben Cancelo und sein Team bei Fermilab ein kompaktes Steuer- und Auslesesystem entwickelt. Das Team integrierte die Fähigkeiten eines ganzen Geräteracks in eine einzige Elektronikplatine, die etwas größer als ein Laptop ist. Das neue System ist spezialisiert, aber dennoch vielseitig genug, um mit vielen Designs von supraleitenden Qubits kompatibel zu sein.

„Wir entwerfen ein allgemeines Instrument für eine Vielzahl von Qubits und hoffen, diejenigen abzudecken, die in sechs Monaten oder einem Jahr entwickelt werden“, sagte Cancelo. „Mit unserer Steuer- und Ausleseelektronik können Sie Funktionalität und Leistung erreichen, die mit kommerziellen Geräten nur schwer oder gar nicht zu erreichen sind.“

Die Steuerung und das Auslesen von Qubits hängen von Mikrowellenimpulsen ab – Funkwellen mit ähnlichen Frequenzen wie die Signale, die Mobiltelefonanrufe übertragen und Mikrowellengerichte aufwärmen. Das Hochfrequenz-(RF)-Board des Fermilab-Teams enthält mehr als 200 Elemente: Mischer zum Optimieren der Frequenzen; Filter zum Entfernen unerwünschter Frequenzen; Verstärker und Dämpfungsglieder zum Einstellen der Amplitude der Signale; und Schalter, um Signale ein- und auszuschalten. Das Board enthält auch eine Niederfrequenzsteuerung, um bestimmte Qubit-Parameter abzustimmen. Zusammen mit einer handelsüblichen feldprogrammierbaren Gate-Array- oder FPGA-Platine, die als „Gehirn“ des Computers dient, bietet die HF-Platine alles, was Wissenschaftler für eine erfolgreiche Kommunikation mit der Quantenwelt benötigen.

Die beiden kompakten Platinen kosten etwa 10-mal weniger in der Herstellung als herkömmliche Systeme. In ihrer einfachsten Konfiguration können sie acht Qubits steuern. Die Integration aller HF-Komponenten auf einer Platine ermöglicht einen schnelleren und präziseren Betrieb sowie Echtzeit-Feedback und Fehlerkorrektur.

„Sie müssen Signale einspeisen, die sehr, sehr schnell und sehr, sehr kurz sind“, sagte Fermilab-Ingenieur Leandro Stefanazzi, ein Mitglied des Teams. „Wenn Sie sowohl die Frequenz als auch die Dauer dieser Signale nicht sehr genau steuern, verhält sich Ihr Qubit nicht so, wie Sie es möchten.“

Das Entwerfen der HF-Platine und des Layouts dauerte etwa sechs Monate und stellte erhebliche Herausforderungen dar: Benachbarte Schaltungselemente mussten genau zusammenpassen, damit die Signale reibungslos übertragen wurden, ohne zu springen und sich gegenseitig zu stören. Außerdem mussten die Ingenieure Layouts sorgfältig vermeiden, die Funkstreuwellen von Quellen wie Mobiltelefonen und WLAN aufnehmen würden. Unterwegs führten sie Simulationen durch, um zu überprüfen, ob sie auf dem richtigen Weg waren.

Das Design ist nun bereit für die Fertigung und Montage, mit dem Ziel, diesen Sommer funktionierende HF-Boards zu haben.

Während des gesamten Prozesses testeten die Fermilab-Ingenieure ihre Ideen mit der University of Chicago. Das neue HF-Board ist ideal für Forscher wie Schuster, die mit einer Vielzahl von Quantencomputerarchitekturen und -geräten grundlegende Fortschritte im Quantencomputing erzielen wollen.

„Ich scherze oft, dass dieses eine Board möglicherweise fast alle Testgeräte ersetzen wird, die ich in meinem Labor habe“, sagte Schuster. „Es ist unglaublich bereichernd für uns, mit Leuten zusammenzuarbeiten, die Elektronik auf diesem Niveau zum Laufen bringen können.“

Das neue System ist einfach skalierbar. Frequenzmultiplex-Qubit-Steuerungen, analog zum Senden mehrerer Telefongespräche über dasselbe Kabel, würden es einem einzelnen HF-Board ermöglichen, bis zu 80 Qubits zu steuern. Dank ihrer geringen Größe könnten mehrere Dutzend Boards als Teil größerer Quantencomputer miteinander verbunden und auf dieselbe Uhr synchronisiert werden. Cancelo und seine Kollegen haben ihr neues System in einem kürzlich in der veröffentlichten Artikel beschrieben AIP-Überprüfung wissenschaftlicher Instrumente.

Das Ingenieurteam von Fermilab hat sich einen neuen kommerziellen FPGA-Chip zunutze gemacht, der als erster Digital-Analog- und Analog-Digital-Wandler direkt in die Platine integriert. Es beschleunigt den Prozess der Erstellung der Schnittstelle zwischen dem FPGA und den HF-Boards erheblich, der ohne ihn Monate gedauert hätte. Um zukünftige Versionen seines Steuer- und Auslesesystems zu verbessern, hat das Team mit der Entwicklung seiner eigenen FPGA-Hardware begonnen.

Die Entwicklung von QICK wurde von QuantISED, dem Quantum Science Center (QSC) und später vom Fermilab-gehosteten Zentrum für supraleitende Quantenmaterialien und -systeme (SQMS) unterstützt. Die QICK-Elektronik ist wichtig für die Forschung am SQMS, wo Wissenschaftler supraleitende Qubits mit langer Lebensdauer entwickeln. Es ist auch für ein zweites nationales Quantenzentrum von Interesse, in dem Fermilab eine Schlüsselrolle spielt, das QSC, das vom Oak Ridge National Laboratory betrieben wird.

Eine Low-Cost-Version der Hardware ist nun nur noch für Hochschulen zu Bildungszwecken erhältlich. „Aufgrund seiner geringen Kosten ermöglicht es kleineren Institutionen eine leistungsstarke Quantenkontrolle, ohne Hunderttausende von Dollar auszugeben“, sagte Cancelo.

„Aus wissenschaftlicher Sicht arbeiten wir als Chance an einem der heißesten Themen der Physik des Jahrzehnts“, fügte er hinzu. „Vom Engineering-Gesichtspunkt gefällt mir, dass viele Bereiche der Elektrotechnik zusammenkommen müssen, um dieses Projekt erfolgreich durchführen zu können.“