Open-Source-Steuerungshardware für Quantencomputer

Das Advanced Quantum Testbed (AQT) am Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hat Open Source ein neues elektronisches Steuer- und Messsystem für supraleitende Quantenprozessoren, das die technischen Lösungen für die aufkommende Hardware zugänglicher macht. Supraleitende Schaltkreise sind eine der führenden Quantencomputertechnologien, die darauf abzielen, komplexe Probleme zu lösen, die über die Reichweite klassischer Computer hinausgehen.

Das supraleitende Qubit-Steuerungssystem von AQT – kurz QubiC – ist anpassbar und modular. Die Leistungsdaten von QubiC wurden in veröffentlicht IEEE-Transaktionen zur Quantentechnik. Die Forscher Gang Huang und Yilun Xu von der Accelerator Technology and Applied Physics Division (ATAP) des Berkeley Lab leiteten das AQT QubiC-Design und nutzten ein robustes technologisches Erbe in der Forschung und Entwicklung für Teilchenbeschleuniger. AQT wird vom Advanced Scientific Computing Research (ASCR)-Programm des US Department of Energy Office of Science finanziert.

Die Notwendigkeit einer erschwinglicheren Qubit-Steuerung

Quanteninformationsprozessoren benötigen teure elektronische Steuerungen, die Qubits präzise manipulieren können. Es ist jedoch sowohl eine theoretische als auch eine experimentelle Herausforderung, die Steuerungshardware zu entwickeln, die die Leistung von Quantencomputern maximiert. Darüber hinaus sind die aktuellen Kohärenzzeiten kurzlebig, und die meisten im Handel erhältlichen elektronischen Geräte sind für allgemeine Zwecke für Nicht-Quantensysteme ausgelegt. Die Kosten, Größe und Komplexität von Steuerungs- und Messhardware steigen mit einer wachsenden Anzahl von Qubits. Dies stellt eine erhebliche Hürde für Startups und akademische Nachwuchsforschungsgruppen weltweit dar.

Die Forscher von AQT im Berkeley Lab gehen diese Steuerungsherausforderungen an, indem sie modulare Steuerungshardware für aktuelle und zukünftige supraleitende Prozessoren entwerfen und den Full-Stack-Code des Systems freigeben, damit er von der breiteren Gemeinschaft der Quanteninformationswissenschaft abgerufen, verbessert und genutzt werden kann.

„Neuere Steuerelektroniksysteme sind nicht auf Quantenkontrollsysteme zugeschnitten“, erklärte Huang. „Also müssen Quantenforscher das Steuersystem vergrößern, indem sie mehr Instrumente kaufen, wenn die Prozessoren komplexer werden. Aber die Kosten für die Steuerhardware sollten nicht linear oder exponentiell sein, und hier versuchen wir ins Spiel zu kommen. Indem wir dies als mehr bauen zugängliches und erschwingliches System von Grund auf, wir wissen wirklich, was darunter für weitere Integrationen passiert und um zu versuchen, das Design zu skalieren.“

QubiC integriert ein FPGA (Field Programmable Gate Array) RF (Radio Frequency)-System, das die Signale bei Raumtemperatur moduliert, um die auf kryogene Temperaturen abgekühlten supraleitenden Qubits zu manipulieren und zu messen. Der kryogene Verdünnungskühlschrank von AQT „Schneesturm“ erreicht sehr niedrige Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt.

Die Python-basierte Software und Firmware von QubiC implementiert die Steuer- und Messprotokolle zur Charakterisierung und Benchmark die Quantenchips, optimieren Ein- und Zwei-Qubit-Gate-Algorithmen und mindern Fehler. Experimentelle Ergebnisse haben gezeigt, dass QubiC Quantenalgorithmen mit vielversprechender Synchronität und Geschwindigkeit ausführt und zu geringeren Kosten ähnliche Ergebnisse wie kommerziell erhältliche Systeme liefert.

„Wir arbeiten daran, eine modularere und erschwinglichere Hardware-Steuerungslösung bereitzustellen, die mit den zusätzlichen Vorteilen gleich oder etwas besser funktioniert“, betonte Huang. „Aber wir können nicht alles selbst machen, also können wir durch Open Source des Codes eine Community finden, die bereit ist, zu unterstützen, beizutragen und sich weiterzuentwickeln.“

QubiC ist mit kommerzieller und kundenspezifischer Elektronik kompatibel. Infolgedessen haben Testbed-Benutzer aus einer Vielzahl von nationalen Labors, Start-ups und Unternehmen großes Interesse gezeigt, ihre Projekte mit der anpassbaren Schnittstelle von QubiC bereitzustellen.

Xu erklärte: „Das Open-Sourcing des gesamten Stacks des QubiC-Systems kommt der Community zugute, da mehr Menschen dazu beitragen, es anpassen und verbessern können. Und als Nachwuchswissenschaftler, der von Anfang an an seinem Design beteiligt war, habe ich gelernt, verschiedene Disziplinen zu integrieren Technik über Physik bis hin zu Experimenten.“

Nutzung des Erbes von Teilchenbeschleunigern

Die Forschung und Entwicklung der Steuerungshardware von AQT stammt aus einer scheinbar unwahrscheinlichen Quelle, die jedoch die Ursprünge und die 91-jährige Geschichte von Berkeley Lab nutzt: Teilchenbeschleuniger. Über ihre vielen Größen und Zwecke hinweg – von kompakten medizinischen Behandlungsmaschinen bis hin zu umfangreichen Forschungseinrichtungen wie dem Large Hadron Collider – beschleunigen Beschleuniger geladene Teilchen und leiten sie in einen kontrollierten Strahl, um Materie und Energie zu erforschen.

Da Teilchenbeschleuniger immer leistungsfähiger werden, steigt der Bedarf an hochmodernen Instrumentierungs- und Steuerungssystemen. Es ist entscheidend, Partikelstrahlen und die ausgeklügelte Ausrüstung, die sie erzeugt, präzise zu stabilisieren. Die daraus resultierende Technologie und das Know-how können vielen anderen Bereichen zugute kommen, beispielsweise dem Quantencomputing.

Huang und Xu sind Mitglieder des Berkeley Accelerator Controls and Instrumentation (BACI)-Programms, bei dem Fachwissen in diesen Steuersystemen eine gemeinsame Ressource ist, die für die vielfältigen Bemühungen der ATAP-Abteilung von entscheidender Bedeutung ist. BACI, das vom General Accelerator R&D-Programm im DOE Office of High Energy Physics unterstützt wird, hat eine jahrzehntelange Geschichte in der Entwicklung von Präzisionssteuerungs- und Rückkopplungssystemen für Teilchenbeschleunigerprojekte. „Ich freue mich sehr zu sehen, dass frühere Investitionen für Beschleunigersteuerungen nun weiterentwickelt und für Qubits-Steuerungen verwendet werden können“, sagte BACI-Programmleiter Derun Li.

„Teilchenbeschleuniger sind ein wesentlicher Bestandteil der wissenschaftlichen Bemühungen von Berkeley Lab, daher hat uns die Arbeit mit fortschrittlicher FPGA-basierter HF-Steuerungstechnologie und Technik für Teilchenstrahlen geholfen, die Anpassung für Quantenhardware zu rationalisieren“, fügte Huang hinzu. „AQT-Forscher und Testbed-Anwender können die Vorteile der Open-Source-Toolbox nutzen und ein tieferes Verständnis für flexible Steuerungshardwareplattformen gewinnen, die sowohl kostengünstig als auch skalierbar sind.“

Cameron Geddes, Direktor von ATAP, beschrieb das QubiC-Design für die supraleitenden Prozessoren von AQT als „klassisches Beispiel dafür, wie Fähigkeiten, die für einen Bereich entwickelt wurden, anderen in der teamwissenschaftlichen Tradition des Berkeley Lab zugute kommen können“.

Open-Access-Testumgebung

Erweiterbare Quantencomputer erfordern erhebliche Änderungen an aktuellen Werkzeugen und Standardtechniken, weshalb AQT-Forscher Pionierarbeit bei der Open-Source-Steuerungshardware geleistet haben, die im Quantencomputing-Testbed-Programm des Berkeley Lab verwendet wird, das vom Technologietransfer von Teilchenbeschleunigern inspiriert ist.

Indem AQT-Benutzern Full-Stack-Zugriff auf QubiC und seine Infrastruktur gewährt wird, hat die breitere Gemeinschaft Zugang zu hochmodernen supraleitenden Quantenprozessoren und nimmt an ihrer Entwicklung teil, wodurch QubiC möglicherweise auch mit anderen Quantencomputertechnologien kompatibel wird.