Un equipo de físicos e ingenieros del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) demostró con éxito la viabilidad de módulos de radiofrecuencia de bajo costo y alto rendimiento para controles qubit a temperatura ambiente. Construyeron una serie de módulos compactos de radiofrecuencia (RF) que mezclan señales para mejorar la confiabilidad de los sistemas de control para procesadores cuánticos superconductores. Sus pruebas demostraron que el uso de métodos de diseño modular reduce el costo y el tamaño de los sistemas de control de RF tradicionales y, al mismo tiempo, ofrece niveles de rendimiento superiores o comparables a los disponibles comercialmente.

Su investigación, destacada como destacada en la Review of Scientific Instruments y seleccionado como Scilight por el Instituto Americano de Física, es de código abierto y ha sido adoptado por otros grupos de ciencia de la información cuántica (QIS). El equipo espera que el diseño compacto de los módulos RF también sea adecuado para la adaptación a otras tecnologías qubit. La investigación se llevó a cabo en Advanced Quantum Testbed (AQT) en Berkeley Lab, un programa de investigación colaborativo financiado por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU.

Una cuestión de escala

A pesar de los avances significativos en la construcción de procesadores con más qubits, que en última instancia serán necesarios para demostrar una ventaja cuántica sobre las computadoras clásicas, las computadoras cuánticas continúan siendo ruidosas y propensas a errores. Cada qubit adicional introduce nuevas capas de complejidad y posibilidades de fallas eléctricas, especialmente a temperatura ambiente. Este crecimiento en complejidad y poder de cómputo requiere un replanteamiento de ciertos elementos centrales de control.

Los sistemas de control de RF tradicionales usan circuitos analógicos para controlar qubits superconductores, pero pueden volverse voluminosos y abrumadoramente complejos, lo que sirve como un punto potencial de falla y aumenta los costos de control de hardware. Los investigadores de AQT, Gang Huang y Yilun Xu, de la División de Tecnología de Aceleradores y Física Aplicada (ATAP) de Berkeley Lab, demostraron una nueva forma de controlar qubits que ya está mejorando otros proyectos de computación cuántica en el programa de usuario del banco de pruebas. El equipo sustituyó los sistemas de control de RF tradicionales más grandes y costosos por uno construido en Berkeley Lab, que utiliza módulos de mezcla interactivos más pequeños.

Un aspecto clave de este sistema modular es la entrega de señales de RF de alta resolución y bajo ruido necesarias para manipular y medir el qubit superconductor a temperatura ambiente. Para hacerlo, es importante cambiar la frecuencia de la señal de medición y manipulación de qubits entre la banda base electrónica y el sistema cuántico.

"El nuevo módulo exhibe una operación de bajo ruido y alta confiabilidad y ahora se está convirtiendo en nuestro estándar de laboratorio para la modulación/demodulación de frecuencia de microondas a través de muchas configuraciones experimentales diferentes en AQT", explicó Huang.

El uso del módulo de mezcla de RF de bajo ruido del equipo para cambiar el ancho de banda con una frecuencia intermedia limitada entre la banda base de la electrónica y la banda intrínseca del sistema cuántico permite a los investigadores utilizar convertidores menos ruidosos para un mejor rendimiento y a un costo más bajo.

Huang y Xu dijeron que si bien su sistema fue diseñado para sistemas superconductores, podría expandirse a otras plataformas de ciencia de la información cuántica. "En general, la arquitectura de la mezcla de RF se puede expandir a frecuencias más altas", señalaron. "Por lo tanto, si reemplazamos algunos componentes electrónicos con la frecuencia adecuada, este tipo de diseño compacto debería poder adaptarse a las otras plataformas qubit, es decir, los sistemas qubit de semiconductores".

Los investigadores también diseñaron blindaje contra interferencias electromagnéticas para eliminar las perturbaciones no deseadas, que reducen la integridad de la señal y limitan el rendimiento general. Este blindaje tiene como objetivo evitar que la señal se filtre e interfiera con los componentes electrónicos circundantes, un problema común para las computadoras cuánticas.

Código abierto, hardware abierto

Con el lanzamiento de un sistema de control de código abierto, el equipo espera que la comunidad en general use y contribuya al repositorio, mejorando el hardware. Al reemplazar algunos componentes electrónicos con la frecuencia adecuada, este tipo de diseño compacto puede adaptarse a una variedad de instalaciones de computación cuántica.

"Este es uno de nuestros primeros esfuerzos para desarrollar un sistema de control de fuente abierta para procesadores cuánticos superconductores", explicó Huang. "Seguiremos optimizando el tamaño físico y el costo del módulo y lo integraremos aún más con nuestro controlador basado en FPGA para mejorar la extensibilidad del sistema de control qubit".

De cara al futuro, los investigadores ya se están basando en estos esfuerzos para crear nuevas posibilidades en la computación cuántica y ofrecer una nueva tecnología para controlar los cúbits.

"Tal integración y optimización ayudarán a los sistemas de control basados ​​en la temperatura ambiente a seguir el ritmo de los avances en la complejidad de los procesadores cuánticos", señaló Xu.