Al diseñar una computadora cuántica de próxima generación, un problema sorprendentemente grande es cerrar la brecha de comunicación entre los mundos clásico y cuántico. Tales computadoras necesitan un control especializado y una electrónica de lectura para traducir de un lado a otro entre el operador humano y los lenguajes de la computadora cuántica, pero los sistemas existentes son engorrosos y costosos.

Sin embargo, un nuevo sistema electrónico de control y lectura, conocido como Quantum Instrumentation Control Kit, o QICK, desarrollado por ingenieros del Fermi National Accelerator Laboratory del Departamento de Energía de EE. UU., ha demostrado mejorar drásticamente el rendimiento de la computadora cuántica y reducir el costo del equipo de control. .

"El desarrollo del Quantum Instrumentation Control Kit es un excelente ejemplo de la inversión de EE. UU. en la investigación de tecnología cuántica conjunta con asociaciones entre la industria, la academia y el gobierno para acelerar las tecnologías de investigación y desarrollo cuánticas precompetitivas", dijo Harriet Kung, subdirectora científica del DOE. programas para la Oficina de Ciencias y director asociado interino de ciencia para física de alta energía.

Los controles más rápidos y rentables fueron desarrollados por un equipo de ingenieros de Fermilab dirigido por el ingeniero principal senior Gustavo Cancelo en colaboración con la Universidad de Chicago, cuyo objetivo era crear y probar un controlador basado en matriz de compuertas programables en campo (FPGA) para experimentos de computación cuántica. David Schuster, físico de la Universidad de Chicago, dirigió el laboratorio de la universidad que ayudó con las especificaciones y la verificación en hardware real.

"Este es exactamente el tipo de proyecto que combina las fortalezas de un laboratorio nacional y una universidad", dijo Schuster. "Existe una clara necesidad de un ecosistema de hardware de control de código abierto, y la comunidad cuántica lo está adoptando rápidamente".

Los ingenieros que diseñan computadoras cuánticas enfrentan el desafío de unir los dos mundos aparentemente incompatibles de las computadoras cuánticas y clásicas. Las computadoras cuánticas se basan en las reglas probabilísticas contrarias a la intuición de la mecánica cuántica que gobiernan el mundo microscópico, lo que les permite realizar cálculos que las computadoras comunes no pueden. Debido a que las personas viven en el mundo visible macroscópico donde reina la física clásica, la electrónica de control y lectura actúa como intérprete que conecta estos dos mundos.

La electrónica de control usa señales del mundo clásico como instrucciones para los bits cuánticos de la computadora, o qubits, mientras que la electrónica de lectura mide los estados de los qubits y transmite esa información al mundo clásico.

Una tecnología prometedora para las computadoras cuánticas utiliza circuitos superconductores como qubits. Actualmente, la mayoría de los sistemas de control y lectura para computadoras cuánticas superconductoras utilizan equipos comerciales estándar que no están especializados en la tarea. Como resultado, los investigadores a menudo deben ensamblar una docena o más de componentes costosos. El costo puede ascender rápidamente a decenas de miles de dólares por qubit, y el gran tamaño de estos sistemas crea más problemas.

A pesar de los avances tecnológicos recientes, los qubits todavía tienen una vida útil relativamente corta, generalmente una fracción de milisegundo, después de la cual generan errores. "Cuando trabajas con qubits, el tiempo es fundamental. La electrónica clásica tarda en responder a los qubits, lo que limita el rendimiento de la computadora", dijo Cancelo.

Así como la eficacia de un intérprete depende de una comunicación rápida, la eficacia de un sistema de control y lectura depende de su tiempo de respuesta. Y un gran sistema hecho de muchos módulos significa largos tiempos de respuesta.

Para abordar este problema, Cancelo y su equipo en Fermilab diseñaron un sistema compacto de control y lectura. El equipo incorporó las capacidades de un rack completo de equipos en una sola placa electrónica un poco más grande que una computadora portátil. El nuevo sistema está especializado, pero es lo suficientemente versátil como para ser compatible con muchos diseños de qubits superconductores.

“Estamos diseñando un instrumento general para una gran variedad de qubits, con la esperanza de cubrir los que se diseñarán dentro de seis meses o un año”, dijo Cancelo. "Con nuestra electrónica de control y lectura, puede lograr una funcionalidad y un rendimiento que son difíciles o imposibles de lograr con equipos comerciales".

El control y la lectura de los cúbits dependen de los pulsos de microondas, ondas de radio a frecuencias similares a las señales que transmiten las llamadas de teléfonos móviles y calientan las cenas en el microondas. El tablero de radiofrecuencia (RF) del equipo Fermilab contiene más de 200 elementos:mezcladores para ajustar las frecuencias; filtros para eliminar frecuencias no deseadas; amplificadores y atenuadores para ajustar la amplitud de las señales; e interruptores para encender y apagar las señales. La placa también contiene un control de baja frecuencia para ajustar ciertos parámetros de qubit. Together with a commercial field-programmable gate array, or FPGA, board, which serves as the "brains" of the computer, the RF board provides everything scientists need to communicate successfully with the quantum world.

The two compact boards cost about 10 times less to produce than conventional systems. In their simplest configuration, they can control eight qubits. Integrating all the RF components into one board allows for faster, more precise operation as well as real-time feedback and error correction.

"You need to inject signals that are very, very fast and very, very short," said Fermilab engineer Leandro Stefanazzi, a member of the team. "If you don't control both the frequency and duration of these signals very precisely, then your qubit won't behave the way you want."

Designing the RF board and layout took about six months and presented substantial challenges:adjacent circuit elements had to match precisely so that signals would travel smoothly without bouncing and interfering with each other. Plus, the engineers had to carefully avoid layouts that would pick up stray radio waves from sources like cell phones and WiFi. Along the way, they ran simulations to verify that they were on the right track.

The design is now ready for fabrication and assembly, with the goal of having working RF boards this summer.

Throughout the process, the Fermilab engineers tested their ideas with the University of Chicago. The new RF board is ideal for researchers like Schuster who seek to make fundamental advances in quantum computing using a wide variety of quantum computer architectures and devices.

"I often joke that this one board is going to potentially replace almost all of the test equipment that I have in my lab," said Schuster. "Getting to team up with people who can make electronics work at that level is incredibly rewarding for us."

The new system is easily scalable. Frequency multiplexing qubit controls, analogous to sending multiple phone conversations over the same cable, would allow a single RF board to control up to 80 qubits. Thanks to their small size, several dozen boards could be linked together and synchronized to the same clock as part of larger quantum computers. Cancelo and his colleagues described their new system in a paper recently published in the AIP Review of Scientific Instruments .

The Fermilab engineering team has taken advantage of a new commercial FPGA chip, the first to integrate digital-to-analog and analog-to-digital converters directly into the board. It substantially speeds up the process of creating the interface between the FPGA and RF boards, which would have taken months without it. To improve future versions of its control and readout system, the team has started designing its own FPGA hardware.

The development of QICK was supported by QuantISED, the Quantum Science Center (QSC) and later by the Fermilab-hosted Superconducting Quantum Materials and Systems Center (SQMS). The QICK electronics is important for research at the SQMS, where scientists are developing superconducting qubits with long lifetimes. It is also of interest to a second national quantum center where Fermilab plays a key role, the QSC hosted by Oak Ridge National Laboratory.

A low-cost version of the hardware is now available only for universities for educational purposes. "Due to its low cost, it allows smaller institutions to have powerful quantum control without spending hundreds of thousands of dollars," said Cancelo.

"From a scientific point of view, we are working on one of the hottest topics in physics of the decade as an opportunity," he added. "From an engineering point of view, what I enjoy is that many areas of electronic engineering need to come together to be able to successfully execute this project." + Explora más

How a novel radio frequency control system enhances quantum computers