Lors de la conception d’un ordinateur quantique de nouvelle génération, un problème étonnamment important consiste à combler le fossé de communication entre les mondes classique et quantique. De tels ordinateurs ont besoin d’une électronique de contrôle et de lecture spécialisée pour traduire dans les deux sens entre l’opérateur humain et les langages de l’ordinateur quantique, mais les systèmes existants sont encombrants et coûteux.
Cependant, un nouveau système d’électronique de contrôle et de lecture, connu sous le nom de Quantum Instrumentation Control Kit, ou QICK, développé par des ingénieurs du Fermi National Accelerator Laboratory du département américain de l’Énergie, s’est avéré améliorer considérablement les performances des ordinateurs quantiques tout en réduisant le coût des équipements de contrôle. .
« Le développement du kit de contrôle d’instrumentation quantique est un excellent exemple d’investissement américain dans la recherche conjointe sur les technologies quantiques avec des partenariats entre l’industrie, les universités et le gouvernement pour accélérer les technologies de recherche et de développement quantiques préconcurrentielles », a déclaré Harriet Kung, directrice adjointe du DOE pour la science. programmes pour le Bureau des sciences et directeur associé par intérim des sciences pour la physique des hautes énergies.
Les commandes plus rapides et plus rentables ont été développées par une équipe d’ingénieurs du Fermilab dirigée par l’ingénieur principal principal Gustavo Cancelo en collaboration avec l’Université de Chicago dont l’objectif était de créer et de tester un contrôleur FPGA (field-programmable gate array-based) pour expériences d’informatique quantique. David Schuster, physicien à l’Université de Chicago, a dirigé le laboratoire de l’université qui a contribué aux spécifications et à la vérification sur du matériel réel.
« C’est exactement le type de projet qui combine les forces d’un laboratoire national et d’une université », a déclaré Schuster. « Il y a un besoin évident d’un écosystème de matériel de contrôle open-source, et il est rapidement adopté par la communauté quantique. »
Les ingénieurs qui conçoivent des ordinateurs quantiques relèvent le défi de faire le pont entre les deux mondes apparemment incompatibles des ordinateurs quantiques et classiques. Les ordinateurs quantiques sont basés sur les règles contre-intuitives et probabilistes de la mécanique quantique qui régissent le monde microscopique, ce qui leur permet d’effectuer des calculs que les ordinateurs ordinaires ne peuvent pas. Parce que les gens vivent dans le monde visible macroscopique où règne la physique classique, l’électronique de contrôle et de lecture sert d’interprète reliant ces deux mondes.
L’électronique de contrôle utilise des signaux du monde classique comme instructions pour les bits quantiques de l’ordinateur, ou qubits, tandis que l’électronique de lecture mesure les états des qubits et transmet ces informations au monde classique.
Une technologie prometteuse pour les ordinateurs quantiques utilise des circuits supraconducteurs comme qubits. Actuellement, la plupart des systèmes de contrôle et de lecture pour les ordinateurs quantiques supraconducteurs utilisent des équipements commerciaux prêts à l’emploi non spécialisés pour la tâche. En conséquence, les chercheurs doivent souvent enchaîner une douzaine de composants coûteux ou plus. Le coût peut rapidement atteindre des dizaines de milliers de dollars par qubit, et la grande taille de ces systèmes crée plus de problèmes.
Malgré les avancées technologiques récentes, les qubits ont encore une durée de vie relativement courte, généralement une fraction de milliseconde, après quoi ils génèrent des erreurs. « Lorsque vous travaillez avec des qubits, le temps est critique. L’électronique classique prend du temps pour répondre aux qubits, ce qui limite les performances de l’ordinateur », a déclaré Cancelo.
Tout comme l’efficacité d’un interprète dépend d’une communication rapide, l’efficacité d’un système de contrôle et de lecture dépend de son temps d’exécution. Et un grand système composé de nombreux modules signifie de longs délais d’exécution.
Pour résoudre ce problème, Cancelo et son équipe du Laboratoire Fermi ont conçu un système de contrôle et de lecture compact. L’équipe a intégré les capacités d’un rack complet d’équipements dans une seule carte électronique légèrement plus grande qu’un ordinateur portable. Le nouveau système est spécialisé, mais suffisamment polyvalent pour être compatible avec de nombreuses conceptions de qubits supraconducteurs.
« Nous concevons un instrument général pour une grande variété de qubits, dans l’espoir de couvrir ceux qui seront conçus dans six mois ou un an », a déclaré Cancelo. « Grâce à notre électronique de contrôle et de lecture, vous pouvez obtenir des fonctionnalités et des performances difficiles ou impossibles à obtenir avec un équipement commercial. »
Le contrôle et la lecture des qubits dépendent des impulsions micro-ondes – des ondes radio à des fréquences similaires aux signaux qui transmettent les appels téléphoniques et réchauffent les dîners micro-ondes. La carte radiofréquence (RF) de l’équipe du Fermilab contient plus de 200 éléments : des mélangeurs pour ajuster les fréquences ; des filtres pour supprimer les fréquences indésirables ; amplificateurs et atténuateurs pour ajuster l’amplitude des signaux ; et interrupteurs pour allumer et éteindre les signaux. La carte contient également un contrôle basse fréquence pour régler certains paramètres de qubit. Associée à une carte FPGA, ou réseau de portes programmables sur le terrain, qui sert de « cerveau » à l’ordinateur, la carte RF fournit tout ce dont les scientifiques ont besoin pour communiquer avec succès avec le monde quantique.
Les deux cartes compactes coûtent environ 10 fois moins cher à produire que les systèmes conventionnels. Dans leur configuration la plus simple, ils peuvent contrôler huit qubits. L’intégration de tous les composants RF dans une seule carte permet un fonctionnement plus rapide et plus précis ainsi qu’un retour en temps réel et une correction des erreurs.
« Vous devez injecter des signaux très, très rapides et très, très courts », a déclaré Leandro Stefanazzi, ingénieur du Fermilab, membre de l’équipe. « Si vous ne contrôlez pas très précisément la fréquence et la durée de ces signaux, votre qubit ne se comportera pas comme vous le souhaitez. »
La conception de la carte RF et de l’agencement a pris environ six mois et a présenté des défis considérables : les éléments de circuit adjacents devaient correspondre précisément pour que les signaux se propagent sans heurts et sans interférence les uns avec les autres. De plus, les ingénieurs ont dû soigneusement éviter les configurations qui capteraient les ondes radio parasites provenant de sources telles que les téléphones portables et le WiFi. En cours de route, ils ont effectué des simulations pour vérifier qu’ils étaient sur la bonne voie.
La conception est maintenant prête pour la fabrication et l’assemblage, dans le but d’avoir des cartes RF fonctionnelles cet été.
Tout au long du processus, les ingénieurs du Fermilab ont testé leurs idées avec l’Université de Chicago. La nouvelle carte RF est idéale pour les chercheurs comme Schuster qui cherchent à faire des progrès fondamentaux dans l’informatique quantique en utilisant une grande variété d’architectures et de dispositifs informatiques quantiques.
« Je plaisante souvent en disant que cette carte va potentiellement remplacer presque tout l’équipement de test que j’ai dans mon laboratoire », a déclaré Schuster. « Faire équipe avec des personnes capables de faire fonctionner l’électronique à ce niveau est incroyablement gratifiant pour nous. »
Le nouveau système est facilement évolutif. Les contrôles de qubit de multiplexage de fréquence, analogues à l’envoi de plusieurs conversations téléphoniques sur le même câble, permettraient à une seule carte RF de contrôler jusqu’à 80 qubits. Grâce à leur petite taille, plusieurs dizaines de cartes pourraient être reliées entre elles et synchronisées sur la même horloge dans le cadre d’ordinateurs quantiques plus grands. Cancelo et ses collègues ont décrit leur nouveau système dans un article récemment publié dans le Examen AIP des instruments scientifiques.
L’équipe d’ingénierie du Laboratoire Fermi a profité d’une nouvelle puce FPGA commerciale, la première à intégrer des convertisseurs numérique-analogique et analogique-numérique directement dans la carte. Il accélère considérablement le processus de création de l’interface entre les cartes FPGA et RF, qui aurait pris des mois sans lui. Pour améliorer les futures versions de son système de contrôle et de lecture, l’équipe a commencé à concevoir son propre matériel FPGA.
Le développement de QICK a été soutenu par QuantISED, le Quantum Science Center (QSC) et plus tard par le Superconducting Quantum Materials and Systems Center (SQMS) hébergé par le Fermilab. L’électronique QICK est importante pour la recherche au SQMS, où les scientifiques développent des qubits supraconducteurs à longue durée de vie. Il intéresse également un deuxième centre quantique national où le laboratoire Fermi joue un rôle clé, le QSC hébergé par le laboratoire national d’Oak Ridge.
Une version à faible coût du matériel est désormais disponible uniquement pour les universités à des fins éducatives. « En raison de son faible coût, il permet aux petites institutions d’avoir un contrôle quantique puissant sans dépenser des centaines de milliers de dollars », a déclaré Cancelo.
« D’un point de vue scientifique, nous travaillons sur l’un des sujets les plus brûlants de la physique de la décennie comme une opportunité », a-t-il ajouté. « D’un point de vue technique, ce que j’apprécie, c’est que de nombreux domaines de l’ingénierie électronique doivent être réunis pour pouvoir mener à bien ce projet. »
Leandro Stefanazzi et al, Le QICK (Quantum Instrumentation Control Kit) : lecture et contrôle des qubits et des détecteurs, Examen des instruments scientifiques (2022). DOI : 10.1063/5.0076249