A gauche :réfrigérateur à dilution cryogénique AQT. À droite :deux types de modules de mixage RF :le convertisseur élévateur et le convertisseur abaisseur. Crédit :Gang Huang et Yilun Xu/Berkeley Lab
Une équipe de physiciens et d'ingénieurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) a démontré avec succès la faisabilité de modules de radiofréquence à faible coût et hautes performances pour les contrôles de qubit à température ambiante. Ils ont construit une série de modules radiofréquence (RF) compacts qui mélangent les signaux pour améliorer la fiabilité des systèmes de contrôle des processeurs quantiques supraconducteurs. Leurs tests ont prouvé que l'utilisation de méthodes de conception modulaire réduit le coût et la taille des systèmes de contrôle RF traditionnels tout en offrant des niveaux de performance supérieurs ou comparables à ceux disponibles dans le commerce.
Leurs recherches, présentées comme remarquables dans la Revue des instruments scientifiques et sélectionné comme Scilight par l'American Institute of Physics, est open source et a été adopté par d'autres groupes de science de l'information quantique (QIS). L'équipe s'attend à ce que la conception compacte des modules RF soit également adaptée à l'adaptation aux autres technologies qubit. La recherche a été menée à l'Advanced Quantum Testbed (AQT) du Berkeley Lab, un programme de recherche collaborative financé par l'Office of Science du Département américain de l'énergie.
Une question d'échelle
Malgré des avancées significatives dans la construction de processeurs avec plus de qubits, qui seront finalement nécessaires pour démontrer un avantage quantique sur les ordinateurs classiques, les ordinateurs quantiques continuent d'être bruyants et sujets aux erreurs. Chaque qubit supplémentaire introduit de nouvelles couches de complexité et de nouvelles possibilités de panne électrique, en particulier à température ambiante. Cette croissance de la complexité et de la puissance de calcul nécessite de repenser certains éléments de contrôle de base.
Les systèmes de contrôle RF traditionnels utilisent des circuits analogiques pour contrôler les qubits supraconducteurs, mais ils peuvent devenir volumineux et extrêmement complexes, servant ainsi de point de défaillance potentiel et augmentant les coûts de contrôle du matériel. Les chercheurs de l'AQT Gang Huang et Yilun Xu de la division de la technologie des accélérateurs et de la physique appliquée (ATAP) de Berkeley Lab ont démontré une nouvelle façon de contrôler les qubits qui améliore déjà d'autres projets d'informatique quantique au programme utilisateur du banc d'essai. L'équipe a remplacé les systèmes de contrôle RF traditionnels plus grands et plus coûteux par un système construit au laboratoire de Berkeley, qui utilise des modules de mixage interactifs plus petits.
Un aspect clé de ce système modulaire est de fournir des signaux RF à haute résolution et à faible bruit nécessaires pour manipuler et mesurer le qubit supraconducteur à température ambiante. Pour ce faire, il est important de déplacer la fréquence du signal de manipulation et de mesure des qubits entre la bande de base de l'électronique et le système quantique.
"Le nouveau module présente un fonctionnement à faible bruit et haute fiabilité et devient maintenant notre norme de laboratoire pour la modulation/démodulation de fréquence micro-ondes dans de nombreuses configurations expérimentales différentes en AQT", a expliqué Huang.
Modules de mélange RF pour les commandes électroniques de processeurs quantiques supraconducteurs. Crédit :Gang Huang et Yilun Xu/Berkeley Lab
L'utilisation du module de mélange RF à faible bruit de l'équipe pour déplacer la bande passante avec une fréquence intermédiaire limitée entre la bande de base électronique et la bande intrinsèque du système quantique permet aux chercheurs d'utiliser des convertisseurs moins bruyants pour de meilleures performances et à moindre coût.
Huang et Xu ont déclaré que bien que leur système ait été conçu pour les systèmes supraconducteurs, il pourrait être étendu à d'autres plates-formes de science de l'information quantique. "En général, l'architecture du mixage RF peut être étendue à des fréquences plus élevées", ont-ils noté. "Par conséquent, si nous remplaçons certains composants électroniques par une fréquence appropriée, ce type de conception compacte devrait pouvoir s'adapter aux autres plates-formes qubit, c'est-à-dire aux systèmes qubit à semi-conducteurs."
Les chercheurs ont également conçu un blindage contre les interférences électromagnétiques pour éliminer les perturbations indésirables, qui réduisent l'intégrité du signal et limitent les performances globales. Ce blindage vise à empêcher le signal de fuir et d'interférer avec l'électronique environnante - un problème courant pour les ordinateurs quantiques.
Open Source, matériel ouvert
Avec la sortie d'un système de contrôle open source, l'équipe espère que la communauté élargie utilisera et contribuera au référentiel, améliorant ainsi le matériel. En remplaçant quelques composants électroniques par une fréquence appropriée, ce type de conception compacte peut s'adapter à une variété d'installations informatiques quantiques.
"Il s'agit de l'un de nos premiers efforts pour développer un système de contrôle open source pour les processeurs quantiques supraconducteurs", a expliqué Huang. "Nous continuerons d'optimiser la taille physique et le coût du module et de poursuivre l'intégration avec notre contrôleur basé sur FPGA pour améliorer l'extensibilité du système de contrôle qubit."
Pour l'avenir, les chercheurs s'appuient déjà sur ces efforts pour créer de nouvelles possibilités en informatique quantique et proposer une nouvelle technologie pour contrôler les qubits.
"Une telle intégration et optimisation aideront les systèmes de contrôle basés sur la température ambiante à suivre le rythme des progrès de la complexité des processeurs quantiques", a noté Xu.
