Ao projetar um computador quântico de próxima geração, um problema surpreendentemente grande é preencher a lacuna de comunicação entre os mundos clássico e quântico. Esses computadores precisam de um controle especializado e eletrônica de leitura para traduzir entre o operador humano e os idiomas do computador quântico - mas os sistemas existentes são complicados e caros.
No entanto, um novo sistema de eletrônica de controle e leitura, conhecido como Quantum Instrumentation Control Kit, ou QICK, desenvolvido por engenheiros do Laboratório Nacional de Aceleradores Fermi do Departamento de Energia dos EUA, provou melhorar drasticamente o desempenho do computador quântico enquanto reduz o custo dos equipamentos de controle. .

“O desenvolvimento do Quantum Instrumentation Control Kit é um excelente exemplo de investimento dos EUA em pesquisa conjunta de tecnologia quântica com parcerias entre indústria, academia e governo para acelerar pesquisas quânticas pré-competitivas e tecnologias de desenvolvimento”, disse Harriet Kung, vice-diretora de ciência do DOE. programas para o Office of Science e diretor associado interino de ciência para física de alta energia.

Os controles mais rápidos e econômicos foram desenvolvidos por uma equipe de engenheiros do Fermilab liderada pelo engenheiro principal sênior Gustavo Cancelo em colaboração com a Universidade de Chicago, cujo objetivo era criar e testar um controlador baseado em matriz de portas programável em campo (FPGA) para experimentos de computação quântica. David Schuster, físico da Universidade de Chicago, liderou o laboratório da universidade que ajudou nas especificações e na verificação em hardware real.

"Este é exatamente o tipo de projeto que combina os pontos fortes de um laboratório nacional e uma universidade", disse Schuster. “Há uma clara necessidade de um ecossistema de hardware de controle de código aberto e está sendo rapidamente adotado pela comunidade quântica”.

Os engenheiros que projetam computadores quânticos lidam com o desafio de unir os dois mundos aparentemente incompatíveis dos computadores quânticos e clássicos. Os computadores quânticos são baseados nas regras probabilísticas e contra-intuitivas da mecânica quântica que governam o mundo microscópico, o que lhes permite realizar cálculos que os computadores comuns não podem. Como as pessoas vivem no mundo visível macroscópico onde reina a física clássica, a eletrônica de controle e leitura atua como o intérprete que conecta esses dois mundos.

A eletrônica de controle usa sinais do mundo clássico como instruções para os bits quânticos do computador, ou qubits, enquanto a eletrônica de leitura mede os estados dos qubits e transmite essa informação de volta ao mundo clássico.

Uma tecnologia promissora para computadores quânticos usa circuitos supercondutores como qubits. Atualmente, a maioria dos sistemas de controle e leitura para computadores quânticos supercondutores usa equipamentos comerciais de prateleira não especializados para a tarefa. Como resultado, os pesquisadores geralmente precisam juntar uma dúzia ou mais de componentes caros. O custo pode chegar rapidamente a dezenas de milhares de dólares por qubit, e o grande tamanho desses sistemas cria mais problemas.

Apesar dos avanços tecnológicos recentes, os qubits ainda têm um tempo de vida relativamente curto, geralmente uma fração de milissegundo, após o qual geram erros. "Quando você trabalha com qubits, o tempo é crítico. A eletrônica clássica leva tempo para responder aos qubits, limitando o desempenho do computador", disse Cancelo.

Assim como a eficácia de um intérprete depende de uma comunicação rápida, a eficácia de um sistema de controle e leitura depende de seu tempo de resposta. E um grande sistema feito de muitos módulos significa longos tempos de resposta.

Para resolver esse problema, Cancelo e sua equipe do Fermilab projetaram um sistema compacto de controle e leitura. A equipe incorporou os recursos de um rack inteiro de equipamentos em uma única placa eletrônica um pouco maior que um laptop. O novo sistema é especializado, mas é versátil o suficiente para ser compatível com muitos projetos de qubits supercondutores.

"Estamos projetando um instrumento geral para uma grande variedade de qubits, esperando cobrir aqueles que serão projetados daqui a seis meses ou um ano", disse Cancelo. "Com nossa eletrônica de controle e leitura, você pode obter funcionalidade e desempenho que são difíceis ou impossíveis de se obter com equipamentos comerciais."

O controle e a leitura de qubits dependem de pulsos de micro-ondas – ondas de rádio em frequências semelhantes aos sinais que transportam chamadas de celular e aquecem jantares de micro-ondas. A placa de radiofrequência (RF) da equipe do Fermilab contém mais de 200 elementos:mixers para ajustar as frequências; filtros para remover frequências indesejadas; amplificadores e atenuadores para ajustar a amplitude dos sinais; e interruptores para ligar e desligar os sinais. A placa também contém um controle de baixa frequência para ajustar certos parâmetros de qubit. Juntamente com uma placa de gate array programável em campo comercial, ou FPGA, que serve como o "cérebro" do computador, a placa de RF fornece tudo o que os cientistas precisam para se comunicar com sucesso com o mundo quântico.

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." + Explorar mais

How a novel radio frequency control system enhances quantum computers