Cependant, un nouveau système d'électronique de contrôle et de lecture, connu sous le nom de kit de commande d'instrumentation quantique, ou Qick, développé par des ingénieurs au u.S.Le Fermi National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie s'est avéré améliorer considérablement les performances informatiques quantiques tout en réduisant le coût de l'équipement de contrôle.
"Le développement du kit de contrôle de l'instrumentation quantique est un excellent exemple de u.S.Investissement dans la recherche conjointe sur la technologie quantique avec des partenariats entre l'industrie, le monde universitaire et le gouvernement pour accélérer les technologies de recherche et de développement quantiques pré-compétitives ", a déclaré Harriet Kung, directeur adjoint du DOE pour les programmes scientifiques pour l'Office of Science et le directeur adjoint des sciences de la Science pour High-physique de l'énergie.
Les contrôles plus rapides et plus rentables ont été développés par une équipe d'ingénieurs de Fermilab dirigée par l'ingénieur principal Gustavo Annuloo en collaboration avec l'Université de Chicago dont l'objectif était de créer et de tester un contrôleur basé sur un tableau de porte sur le terrain (FPGA) pourexpériences informatiques quantiques.David Schuster, physicien de l'Université de Chicago, a dirigé le laboratoire de l'université qui a aidé les spécifications et la vérification sur le 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 clair pour un écosystème matériel de contrôle open source, et il est rapidement adopté par la communauté quantique."
Les ingénieurs concevant des ordinateurs quantiques traitent du défi de plier les deux mondes apparemment incompatibles d'ordinateurs quantiques et classiques.Les ordinateurs quantiques sont basés sur les règles probabilistes contre-intuitives 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 la physique classique règne, le contrôle et l'électronique de lecture agissent comme l'interprète reliant ces deux mondes.
advertisementContrôler l'électronique Utilisez des signaux du monde classique comme instructions pour les bits quantiques ou qubits de l'ordinateur, tandis que la lecture de l'électronique mesure les états des Qubits et transmettent 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 standard non spécialisés pour la tâche.En conséquence, les chercheurs doivent souvent enchaîner une douzaine de composants ou plus chers.Le coût peut rapidement augmenter à 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 d'une milliseconde, après quoi ils génèrent des erreurs."Lorsque vous travaillez avec des qubits, le temps est critique. Classical electronics take time to respond to the qubits, limiting the performance of the computer," said Cancelo.
Tout comme l'efficacité d'un interprète dépend de la communication rapide, l'efficacité d'un système de contrôle et de lecture dépend de son délai d'exécution.Et un grand système composé de nombreux modules signifie des temps de redressement longs.
Pour résoudre ce problème, Cancelo et son équipe de Fermilab ont conçu un système de contrôle et de lecture compact.L'équipe a incorporé les capacités d'un rack d'équipement entier dans une seule planche électronique légèrement plus grande qu'un ordinateur portable.Le nouveau système est spécialisé, mais il est suffisamment polyvalent pour être compatible avec de nombreuses conceptions de qubits supraconductrices.
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"Nous concevons un instrument général pour une grande variété de qubits, dans l'espoir de couvrir ceux qui seront conçus dans six mois ou dans un an", a déclaré Cancelo."Avec notre contrôle et notre Electronics de lecture, vous pouvez atteindre des fonctionnalités et des performances difficiles ou impossibles à faire avec l'équipement commercial."
Le contrôle et la lecture des qubits dépendent des impulsions micro-ondes - ondes radio à des fréquences similaires aux signaux qui portent des appels téléphoniques et chauffer les dîners à micro-ondes.Le conseil d'administration radiofréquence (RF) de l'équipe Fermilab contient plus de 200 éléments: les mélangeurs pour modifier les fréquences;filtres pour éliminer les fréquences indésirables;amplificateurs et atténuateurs pour ajuster l'amplitude des signaux;et passe aux clignotements en activité.La carte contient également un contrôle à basse fréquence pour régler certains paramètres Qubit.Avec un tableau de portes programmable sur le terrain commercial, ou FPGA, qui sert de "cerveau" de l'ordinateur, la carte RF fournit à tout ce que les scientifiques ont besoin pour communiquer avec succès avec le monde quantique.
Les deux planches compactes coûtent environ 10 fois moins 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 que la rétroaction en temps réel et la correction d'erreurs.
"Vous devez injecter des signaux très, très rapides et très, très courts", a déclaré l'ingénieur de Fermilab Leandro Stefanazzi, membre de l'équipe."Si vous ne contrôlez pas très précisément la fréquence et la durée de ces signaux, alors votre qubit ne se comportera pas comme vous le souhaitez."
La conception de la carte RF et de la disposition a pris environ six mois et a présenté des défis substantiels: les éléments de circuit adjacents devaient correspondre précisément afin que les signaux se déplacent bien sans rebondir et interférer les uns avec les autres.De plus, les ingénieurs ont dû éviter soigneusement les dispositions qui ramasseraient des ondes radio parasites à partir de sources comme les téléphones portables et le wifi.En cours de route, ils ont dirigé des simulations pour vérifier qu'ils étaient sur la bonne voie.
Le design est maintenant prêt pour la fabrication et l'assemblage, dans le but d'avoir des planches RF qui travaillent cet été.
Tout au long du processus, les ingénieurs de Fermilab ont testé leurs idées avec l'Université de Chicago.La nouvelle carte RF est idéale pour des chercheurs comme Schuster qui cherchent à faire des progrès fondamentaux dans l'informatique quantique en utilisant une grande variété d'architectures et d'appareils informatiques quantiques.
"Je plaisante souvent que cette seule planche va potentiellement remplacer presque tout l'équipement de test que j'ai dans mon laboratoire", a déclaré Schuster."Se faire équipe avec des gens qui peuvent faire fonctionner l'électronique à ce niveau est incroyablement gratifiant pour nous."
Le nouveau système est facilement évolutif.Les commandes 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 tableaux pourraient être liés ensemble et synchronisés avec la même horloge dans le cadre de plus grands ordinateurs quantiques. Cancelo and his colleagues described their new system in a paper recently published in the AIP Review of Scientific Instruments.
L'équipe d'ingénierie Fermilab a profité d'une nouvelle puce FPGA commerciale, la première à intégrer les convertisseurs numériques à analogue et analogiques-numériques directement dans le conseil d'administration.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 Centre des matériaux et systèmes quantiques supraconduants hébergés par Fermilab (SQMS) (SQMS).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 Fermilab joue un rôle clé, le QSC organisé par Oak Ridge National Laboratory.
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 chauds de la physique de la décennie comme une opportunité", a-t-il ajouté."Du point de vue de l'ingénierie, ce que j'aime, c'est que de nombreux domaines de l'ingénierie électronique doivent se réunir pour pouvoir exécuter ce projet avec succès."
Fermi National Accelerator Laboratory est le premier laboratoire national de physique des particules et la recherche sur les accélérateurs.A u.S.Laboratoire du ministère de l'Énergie Office of Science, Fermilab est situé près de Chicago, Illinois, et opéré sous contrat par la Fermi Research Alliance LLC, un partenariat conjoint entre l'Université de Chicago et la Universities Research Association, Inc. Visit?Fermilab's website?and follow us on Twitter at?@Fermilab.
