Lors de la conception d'un ordinateur quantique de nouvelle génération, un problème étonnamment important consiste à combler le fossé de communication entre les mondes classique et quantique. De tels ordinateurs ont besoin d'une électronique de contrôle et de lecture spécialisée pour traduire dans les deux sens entre l'opérateur humain et les langages de l'ordinateur quantique, mais les systèmes existants sont encombrants et coûteux.

Cependant, un nouveau système d'électronique de contrôle et de lecture, connu sous le nom de Quantum Instrumentation Control Kit, ou QICK, développé par des ingénieurs du Fermi National Accelerator Laboratory du Département américain de l'énergie, s'est avéré améliorer considérablement les performances des ordinateurs quantiques tout en réduisant le coût des équipements de contrôle. .

« Le développement du kit de contrôle d'instrumentation quantique est un excellent exemple de l'investissement américain dans la recherche conjointe sur les technologies quantiques avec des partenariats entre l'industrie, les universités et le gouvernement pour accélérer les technologies de recherche et de développement quantiques préconcurrentielles », a déclaré Harriet Kung, directrice adjointe du DOE pour la science. programmes pour le Bureau des sciences et directeur associé par intérim des sciences pour la physique des hautes énergies.

Les commandes plus rapides et plus rentables ont été développées par une équipe d'ingénieurs du Fermilab dirigée par l'ingénieur principal principal Gustavo Cancelo en collaboration avec l'Université de Chicago dont l'objectif était de créer et de tester un contrôleur FPGA (programmable gate array) pour expériences d'informatique quantique. David Schuster, physicien à l'Université de Chicago, a dirigé le laboratoire de l'université qui a contribué aux spécifications et à la vérification sur du 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 évident pour un écosystème de matériel de contrôle open source, et il est rapidement adopté par la communauté quantique."

Les ingénieurs qui conçoivent des ordinateurs quantiques relèvent le défi de faire le pont entre les deux mondes apparemment incompatibles des ordinateurs quantiques et classiques. Les ordinateurs quantiques sont basés sur les règles contre-intuitives et probabilistes 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 règne la physique classique, l'électronique de contrôle et de lecture sert d'interprète reliant ces deux mondes.

L'électronique de contrôle utilise des signaux du monde classique comme instructions pour les bits quantiques de l'ordinateur, ou qubits, tandis que l'électronique de lecture mesure les états des qubits et transmet 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 prêts à l'emploi non spécialisés pour la tâche. En conséquence, les chercheurs doivent souvent enchaîner une douzaine de composants coûteux ou plus. Le coût peut rapidement atteindre des dizaines de milliers de dollars par qubit, et la grande taille de ces systèmes crée plus de problèmes.

Malgré les récentes avancées technologiques, les qubits ont encore une durée de vie relativement courte, généralement une fraction de milliseconde, après quoi ils génèrent des erreurs. "Lorsque vous travaillez avec des qubits, le temps est critique. L'électronique classique prend du temps pour répondre aux qubits, ce qui limite les performances de l'ordinateur", a déclaré Cancelo.

Tout comme l'efficacité d'un interprète dépend d'une communication rapide, l'efficacité d'un système de contrôle et de lecture dépend de son temps d'exécution. Et un grand système composé de nombreux modules signifie de longs délais d'exécution.

Pour résoudre ce problème, Cancelo et son équipe du Laboratoire Fermi ont conçu un système de contrôle et de lecture compact. L'équipe a intégré les capacités d'un rack complet d'équipements dans une seule carte électronique légèrement plus grande qu'un ordinateur portable. Le nouveau système est spécialisé, mais suffisamment polyvalent pour être compatible avec de nombreuses conceptions de qubits supraconducteurs.

"Nous concevons un instrument général pour une grande variété de qubits, dans l'espoir de couvrir ceux qui seront conçus dans six mois ou un an", a déclaré Cancelo. "Grâce à notre électronique de contrôle et de lecture, vous pouvez obtenir des fonctionnalités et des performances difficiles ou impossibles à obtenir avec un équipement commercial."

Le contrôle et la lecture des qubits dépendent des impulsions micro-ondes - des ondes radio à des fréquences similaires aux signaux qui transmettent les appels téléphoniques et réchauffent les dîners micro-ondes. La carte radiofréquence (RF) de l'équipe du Fermilab contient plus de 200 éléments :des mélangeurs pour ajuster les fréquences; des filtres pour supprimer les fréquences indésirables ; amplificateurs et atténuateurs pour ajuster l'amplitude des signaux ; and switches to turn signals on and off. The board also contains a low-frequency control to tune certain qubit parameters. 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." + Explorer plus loin

How a novel radio frequency control system enhances quantum computers