Gustavo Cancelo ha guidato un team di ingegneri del Fermilab per creare una nuova scheda elettronica compatta:ha le capacità di un intero rack di apparecchiature che è compatibile con molti progetti di qubit superconduttori a una frazione del costo. Credito:Ryan Postel, Fermilab
Quando si progetta un computer quantistico di nuova generazione, un problema sorprendentemente grande è colmare il divario di comunicazione tra il mondo classico e quello quantistico. Tali computer necessitano di un controllo specializzato e di un'elettronica di lettura per tradurre avanti e indietro tra l'operatore umano e i linguaggi del computer quantistico, ma i sistemi esistenti sono ingombranti e costosi.
Tuttavia, un nuovo sistema di elettronica di controllo e lettura, noto come Quantum Instrumentation Control Kit, o QICK, sviluppato dagli ingegneri del Fermi National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, ha dimostrato di migliorare drasticamente le prestazioni dei computer quantistici riducendo i costi delle apparecchiature di controllo .
"Lo sviluppo del Quantum Instrumentation Control Kit è un eccellente esempio di investimento statunitense nella ricerca congiunta sulla tecnologia quantistica con partnership tra industria, università e governo per accelerare la ricerca quantistica precompetitiva e le tecnologie di sviluppo", ha affermato Harriet Kung, vicedirettore del DOE per la scienza programmi per l'Office of Science e direttore associato ad interim della scienza per la fisica delle alte energie.
I controlli più veloci ed economici sono stati sviluppati da un team di ingegneri del Fermilab guidato dall'ingegnere capo senior Gustavo Cancelo in collaborazione con l'Università di Chicago il cui obiettivo era creare e testare un controller basato su array di porte programmabili sul campo (FPGA) per esperimenti di calcolo quantistico. David Schuster, fisico dell'Università di Chicago, ha guidato il laboratorio dell'università che ha aiutato con le specifiche e la verifica su hardware reale.
"Questo è esattamente il tipo di progetto che unisce i punti di forza di un laboratorio nazionale e di un'università", ha affermato Schuster. "C'è una chiara necessità di un ecosistema hardware di controllo open source e viene rapidamente adottato dalla comunità quantistica."
Gli ingegneri che progettano computer quantistici affrontano la sfida di colmare i due mondi apparentemente incompatibili dei computer quantistici e classici. I computer quantistici si basano sulle regole controintuitive e probabilistiche della meccanica quantistica che governano il mondo microscopico, il che consente loro di eseguire calcoli che i normali computer non possono. Poiché le persone vivono nel mondo visibile macroscopico in cui regna la fisica classica, l'elettronica di controllo e lettura funge da interprete che collega questi due mondi.
L'elettronica di controllo utilizza i segnali del mondo classico come istruzioni per i bit quantistici o qubit del computer, mentre l'elettronica di lettura misura gli stati dei qubit e riporta tali informazioni al mondo classico.
Una tecnologia promettente per i computer quantistici utilizza circuiti superconduttori come qubit. Attualmente, la maggior parte dei sistemi di controllo e lettura per computer quantistici superconduttori utilizza apparecchiature commerciali standard non specializzate per l'attività. Di conseguenza, i ricercatori spesso devono mettere insieme una dozzina o più componenti costosi. Il costo può raggiungere rapidamente decine di migliaia di dollari per qubit e le grandi dimensioni di questi sistemi creano più problemi.
Nonostante i recenti progressi tecnologici, i qubit hanno ancora una durata relativamente breve, generalmente una frazione di millisecondo, dopo di che generano errori. "Quando lavori con i qubit, il tempo è fondamentale. L'elettronica classica richiede tempo per rispondere ai qubit, limitando le prestazioni del computer", ha affermato Cancelo.
Proprio come l'efficacia di un interprete dipende da una comunicazione rapida, l'efficacia di un sistema di controllo e lettura dipende dal suo tempo di risposta. E un grande sistema composto da molti moduli significa lunghi tempi di consegna.
Per risolvere questo problema, Cancelo e il suo team del Fermilab hanno progettato un sistema compatto di controllo e lettura. Il team ha incorporato le capacità di un intero rack di apparecchiature in una singola scheda elettronica leggermente più grande di un laptop. Il nuovo sistema è specializzato, ma è abbastanza versatile da essere compatibile con molti modelli di qubit superconduttori.
"Stiamo progettando uno strumento generale per un'ampia varietà di qubit, sperando di coprire quelli che saranno progettati tra sei mesi o un anno", ha affermato Cancelo. "Con la nostra elettronica di controllo e lettura, puoi ottenere funzionalità e prestazioni difficili o impossibili da ottenere con apparecchiature commerciali."
La maggior parte degli attuali sistemi di controllo e lettura per computer quantistici superconduttori utilizzano apparecchiature commerciali standard in cui i ricercatori devono mettere insieme una dozzina o più componenti costosi risultando un sistema di controllo ingombrante e costoso. Credito:Università di Chicago
Il controllo e la lettura dei qubit dipendono dagli impulsi delle microonde, onde radio a frequenze simili ai segnali che trasportano le chiamate telefoniche e riscaldano le cene a microonde. La scheda a radiofrequenza (RF) del team del Fermilab contiene più di 200 elementi:mixer per modificare le frequenze; filtri per rimuovere le frequenze indesiderate; amplificatori e attenuatori per regolare l'ampiezza dei segnali; e commuta per accendere e spegnere i segnali. La scheda contiene anche un controllo a bassa frequenza per regolare determinati parametri qubit. Insieme a una scheda gate array programmabile sul campo commerciale, o scheda FPGA, che funge da "cervello" del computer, la scheda RF fornisce tutto ciò di cui gli scienziati hanno bisogno per comunicare con successo con il mondo quantistico.
Le due schede compatte costano circa 10 volte meno da produrre rispetto ai sistemi convenzionali. Nella loro configurazione più semplice, possono controllare otto qubit. L'integrazione di tutti i componenti RF in un'unica scheda consente un funzionamento più rapido e preciso, nonché feedback in tempo reale e correzione degli errori.
"Occorre iniettare segnali che siano molto, molto veloci e molto, molto brevi", ha affermato l'ingegnere del Fermilab Leandro Stefanazzi, un membro del team. "Se non controlli sia la frequenza che la durata di questi segnali in modo molto preciso, il tuo qubit non si comporterà nel modo desiderato."
La progettazione della scheda RF e del layout ha richiesto circa sei mesi e ha presentato sfide sostanziali:gli elementi del circuito adiacenti dovevano combaciare con precisione in modo che i segnali viaggiassero senza intoppi senza rimbalzare e interferire tra loro. Inoltre, gli ingegneri hanno dovuto evitare accuratamente i layout che avrebbero raccolto le onde radio vaganti da sorgenti come telefoni cellulari e Wi-Fi. Lungo il percorso, hanno eseguito simulazioni per verificare di essere sulla strada giusta.
Il progetto è ora pronto per la fabbricazione e l'assemblaggio, con l'obiettivo di avere schede RF funzionanti quest'estate.
Durante tutto il processo, gli ingegneri del Fermilab hanno testato le loro idee con l'Università di Chicago. La nuova scheda RF è l'ideale per ricercatori come Schuster che cercano di fare progressi fondamentali nell'informatica quantistica utilizzando un'ampia varietà di architetture e dispositivi di computer quantistici.
"Scherzo spesso sul fatto che questa scheda sostituirà potenzialmente quasi tutte le apparecchiature di prova che ho nel mio laboratorio", ha detto Schuster. "Collaborare con persone in grado di far funzionare l'elettronica a quel livello è per noi incredibilmente gratificante."
Il nuovo sistema è facilmente scalabile. I controlli qubit multiplexing di frequenza, analoghi all'invio di più conversazioni telefoniche sullo stesso cavo, consentirebbero a una singola scheda RF di controllare fino a 80 qubit. Grazie alle loro piccole dimensioni, diverse dozzine di schede potrebbero essere collegate e sincronizzate con lo stesso orologio come parte di computer quantistici più grandi. Cancelo e i suoi colleghi hanno descritto il loro nuovo sistema in un articolo recentemente pubblicato sulla AIP Review of Scientific Instruments .
Il team di ingegneri del Fermilab ha sfruttato un nuovo chip FPGA commerciale, il primo a integrare convertitori da digitale ad analogico e da analogico a digitale direttamente nella scheda. Accelera notevolmente il processo di creazione dell'interfaccia tra le schede FPGA e RF, che senza di essa avrebbero richiesto mesi. Per migliorare le versioni future del suo sistema di controllo e lettura, il team ha iniziato a progettare il proprio hardware FPGA.
Lo sviluppo di QICK è stato supportato da QuantISED, il Quantum Science Center (QSC) e successivamente dal Superconducting Quantum Materials and Systems Center (SQMS) ospitato dal Fermilab. L'elettronica QICK è importante per la ricerca presso l'SQMS, dove gli scienziati stanno sviluppando qubit superconduttori con una lunga durata. È anche interessante per un secondo centro quantistico nazionale in cui il Fermilab svolge un ruolo chiave, il QSC ospitato dall'Oak Ridge National Laboratory.
Una versione a basso costo dell'hardware è ora disponibile solo per le università per scopi didattici. "Grazie al suo basso costo, consente alle istituzioni più piccole di avere un potente controllo quantistico senza spendere centinaia di migliaia di dollari", ha affermato Cancelo.
"Da un punto di vista scientifico, stiamo lavorando su uno degli argomenti più caldi della fisica del decennio come opportunità", ha aggiunto. "Da un punto di vista ingegneristico, ciò che mi piace è che molte aree dell'ingegneria elettronica devono unirsi per essere in grado di eseguire con successo questo progetto". + Esplora ulteriormente
