Un team di fisici e ingegneri del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ha dimostrato con successo la fattibilità di moduli a radiofrequenza a basso costo e ad alte prestazioni per i controlli dei qubit a temperatura ambiente. Hanno costruito una serie di moduli compatti a radiofrequenza (RF) che mescolano i segnali per migliorare l'affidabilità dei sistemi di controllo per i processori quantistici superconduttori. I loro test hanno dimostrato che l'utilizzo di metodi di progettazione modulare riduce i costi e le dimensioni dei tradizionali sistemi di controllo RF pur offrendo livelli di prestazioni superiori o comparabili a quelli disponibili in commercio.

La loro ricerca, descritta come degna di nota nella Review of Scientific Instruments e selezionato come Scilight dall'American Institute of Physics, è open source ed è stato adottato da altri gruppi di scienza dell'informazione quantistica (QIS). Il team si aspetta che il design compatto dei moduli RF sia adatto per l'adattamento anche alle altre tecnologie qubit. La ricerca è stata condotta presso l'Advanced Quantum Testbed (AQT) del Berkeley Lab, un programma di ricerca collaborativo finanziato dall'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

Una questione di scala

Nonostante i significativi progressi nella costruzione di processori con più qubit, che alla fine saranno necessari per dimostrare un vantaggio quantistico rispetto ai computer classici, i computer quantistici continuano a essere rumorosi e soggetti a errori. Ogni qubit aggiuntivo introduce nuovi livelli di complessità e possibilità di guasto elettrico, soprattutto a temperatura ambiente. Questa crescita della complessità e della potenza di calcolo richiede un ripensamento di alcuni elementi di controllo fondamentali.

I tradizionali sistemi di controllo RF utilizzano circuiti analogici per controllare i qubit superconduttori, ma possono diventare ingombranti e straordinariamente complessi, fungendo così da potenziale punto di errore e aumentando i costi per il controllo hardware. I ricercatori AQT Gang Huang e Yilun Xu della Accelerator Technology and Applied Physics Division (ATAP) di Berkeley Lab hanno dimostrato un nuovo modo per controllare i qubit che sta già migliorando altri progetti di calcolo quantistico nel programma utente del banco di prova. Il team ha sostituito i sistemi di controllo RF tradizionali più grandi e costosi con uno costruito al Berkeley Lab, che utilizza moduli di miscelazione interattivi più piccoli.

Un aspetto chiave di questo sistema modulare è fornire segnali RF ad alta risoluzione e a basso rumore necessari per manipolare e misurare il qubit superconduttore a temperatura ambiente. Per fare ciò, è importante spostare la manipolazione dei qubit e la frequenza del segnale di misurazione tra la banda base dell'elettronica e il sistema quantistico.

"Il nuovo modulo mostra un funzionamento a basso rumore e ad alta affidabilità e ora sta diventando il nostro standard di laboratorio per la modulazione/demodulazione della frequenza delle microonde in molte diverse configurazioni sperimentali in AQT", ha spiegato Huang.

L'utilizzo del modulo di missaggio RF a basso rumore del team per spostare la larghezza di banda con una frequenza intermedia limitata tra la banda base dell'elettronica e la banda intrinseca del sistema quantistico consente ai ricercatori di utilizzare convertitori meno rumorosi per prestazioni migliori e a un costo inferiore.

Huang e Xu hanno affermato che mentre il loro sistema è stato progettato per sistemi superconduttori, potrebbe essere esteso ad altre piattaforme di scienza dell'informazione quantistica. "In generale, l'architettura del missaggio RF può essere espansa a frequenze più alte", hanno osservato. "Pertanto, se sostituiamo alcuni componenti elettronici con una frequenza adeguata, questo tipo di design compatto dovrebbe essere in grado di adattarsi alle altre piattaforme qubit, ovvero i sistemi qubit a semiconduttore."

I ricercatori hanno inoltre progettato una schermatura contro le interferenze elettromagnetiche per eliminare le perturbazioni indesiderate, che riducono l'integrità del segnale e limitano le prestazioni complessive. Questa schermatura mira a impedire che il segnale fuoriesca e interferisca con l'elettronica circostante, un problema comune per i computer quantistici.

Open Source, Open Hardware

Con il rilascio di un sistema di controllo open source, il team spera che la comunità più ampia utilizzi e contribuisca al repository, migliorando l'hardware. Sostituendo alcuni componenti elettronici con una frequenza appropriata, questo tipo di design compatto può adattarsi a una varietà di strutture di calcolo quantistico.

"Questo è uno dei nostri primi sforzi per sviluppare un sistema di controllo open source per processori quantistici superconduttori", ha spiegato Huang. "Continueremo a ottimizzare le dimensioni fisiche e il costo del modulo e ad integrarci ulteriormente con il nostro controller basato su FPGA per migliorare l'estendibilità del sistema di controllo qubit."

Guardando al futuro, i ricercatori stanno già sviluppando questi sforzi per creare nuove possibilità nell'informatica quantistica e offrire una nuova tecnologia per controllare i qubit.

"Tale integrazione e ottimizzazione aiuteranno i sistemi di controllo basati sulla temperatura ambiente a tenere il passo con i progressi nella complessità dei processori quantistici", ha osservato Xu.