Uma equipe de físicos e engenheiros do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) demonstrou com sucesso a viabilidade de módulos de radiofrequência de baixo custo e alto desempenho para controles de qubit à temperatura ambiente. Eles construíram uma série de módulos compactos de radiofrequência (RF) que misturam sinais para melhorar a confiabilidade dos sistemas de controle para processadores quânticos supercondutores. Seus testes provaram que o uso de métodos de projeto modular reduz o custo e o tamanho dos sistemas de controle de RF tradicionais, ao mesmo tempo em que oferece níveis de desempenho superiores ou comparáveis ​​aos disponíveis comercialmente.
Sua pesquisa, destacada como notável na Revisão de Instrumentos Científicos e selecionado como um Scilight pelo Instituto Americano de Física, é de código aberto e foi adotado por outros grupos de ciência da informação quântica (QIS). A equipe espera que o design compacto dos módulos de RF também seja adequado para adaptação a outras tecnologias de qubit. A pesquisa foi realizada no Advanced Quantum Testbed (AQT) no Berkeley Lab, um programa de pesquisa colaborativa financiado pelo Escritório de Ciências do Departamento de Energia dos EUA.

Uma questão de escala

Apesar dos avanços significativos na construção de processadores com mais qubits, que serão necessários para demonstrar uma vantagem quântica sobre os computadores clássicos, os computadores quânticos continuam barulhentos e propensos a erros. Cada qubit adicional introduz novas camadas de complexidade e possibilidades de falha elétrica, especialmente à temperatura ambiente. Esse crescimento em complexidade e poder de computação requer um repensar de certos elementos de controle centrais.

Os sistemas de controle de RF tradicionais usam circuitos analógicos para controlar qubits supercondutores, mas eles podem se tornar volumosos e extremamente complexos, servindo como um potencial ponto de falha e aumentando os custos de controle de hardware. Os pesquisadores da AQT Gang Huang e Yilun Xu, da Divisão de Tecnologia e Física Aplicada (ATAP) do Berkeley Lab, demonstraram uma nova maneira de controlar qubits que já está aprimorando outros projetos de computação quântica no programa de usuário do testbed. A equipe substituiu os sistemas de controle de RF tradicionais maiores e mais caros por um construído no Berkeley Lab, que usa módulos de mixagem interativos menores.

Um aspecto fundamental deste sistema modular é fornecer sinais de RF de alta resolução e baixo ruído necessários para manipular e medir o qubit supercondutor à temperatura ambiente. Para fazer isso, é importante mudar a manipulação do qubit e a frequência do sinal de medição entre a banda base eletrônica e o sistema quântico.

"O novo módulo apresenta operação de baixo ruído e alta confiabilidade e agora está se tornando nosso padrão de laboratório para modulação/demodulação de frequência de micro-ondas em muitas configurações experimentais diferentes em AQT", explicou Huang.

O uso do módulo de mistura de RF de baixo ruído da equipe para mudar a largura de banda com uma frequência intermediária limitada entre a banda base eletrônica e a banda intrínseca do sistema quântico permite que os pesquisadores utilizem conversores menos ruidosos para melhor desempenho e a um custo menor.

Huang e Xu disseram que, embora seu sistema tenha sido projetado para sistemas supercondutores, ele pode ser expandido para outras plataformas de ciência da informação quântica. "Em geral, a arquitetura de mixagem de RF pode ser expandida para frequências mais altas", observaram. “Portanto, se substituirmos alguns componentes eletrônicos com a frequência adequada, esse tipo de design compacto deve ser capaz de se adaptar a outras plataformas qubit, ou seja, sistemas qubit semicondutores”.

Os pesquisadores também projetaram blindagem contra interferência eletromagnética para eliminar perturbações indesejadas, que reduzem a integridade do sinal e limitam o desempenho geral. Essa blindagem visa evitar que o sinal vaze e interfira na eletrônica ao redor - um problema comum para computadores quânticos.

Código aberto, hardware aberto

Com o lançamento de um sistema de controle de código aberto, a equipe espera que a comunidade mais ampla utilize e contribua com o repositório, melhorando o hardware. Ao substituir alguns componentes eletrônicos com frequência adequada, esse tipo de design compacto pode se adaptar a uma variedade de instalações de computação quântica.

"Este é um dos nossos primeiros esforços para desenvolver um sistema de controle de código aberto para processadores quânticos supercondutores", explicou Huang. "Continuaremos a otimizar o tamanho físico e o custo do módulo e a integrar ainda mais nosso controlador baseado em FPGA para melhorar a extensibilidade do sistema de controle qubit."

Olhando para o futuro, os pesquisadores já estão aproveitando esses esforços para criar novas possibilidades na computação quântica e oferecer uma nova tecnologia para controlar os qubits.

“Tal integração e otimização ajudarão os sistemas de controle baseados em temperatura ambiente a acompanhar os avanços na complexidade dos processadores quânticos”, observou Xu.