Al diseñar una computadora cuántica de próxima generación, un problema sorprendentemente grande es cerrar la brecha de comunicación entre los mundos clásico y cuántico. Tales computadoras necesitan un control especializado y una electrónica de lectura para traducir de un lado a otro entre el operador humano y los lenguajes de la computadora cuántica, pero los sistemas existentes son engorrosos y costosos.
Sin embargo, un nuevo sistema electrónico de control y lectura, conocido como Quantum Instrumentation Control Kit, o QICK, desarrollado por ingenieros del Fermi National Accelerator Laboratory del Departamento de Energía de EE. UU., ha demostrado mejorar drásticamente el rendimiento de la computadora cuántica y reducir el costo del equipo de control. .
«El desarrollo del Quantum Instrumentation Control Kit es un excelente ejemplo de la inversión de EE. UU. en la investigación de tecnología cuántica conjunta con asociaciones entre la industria, la academia y el gobierno para acelerar la investigación cuántica precompetitiva y las tecnologías de desarrollo», dijo Harriet Kung, subdirectora científica del DOE. programas para la Oficina de Ciencias y director asociado interino de ciencias para la física de alta energía.
Los controles más rápidos y rentables fueron desarrollados por un equipo de ingenieros de Fermilab dirigidos por el ingeniero principal senior Gustavo Cancelo en colaboración con la Universidad de Chicago, cuyo objetivo era crear y probar un controlador basado en matriz de compuertas programables en campo (FPGA) para experimentos de computación cuántica. David Schuster, físico de la Universidad de Chicago, dirigió el laboratorio de la universidad que ayudó con las especificaciones y la verificación en hardware real.
«Este es exactamente el tipo de proyecto que combina las fortalezas de un laboratorio nacional y una universidad», dijo Schuster. «Existe una clara necesidad de un ecosistema de hardware de control de código abierto, y la comunidad cuántica lo está adoptando rápidamente».
Los ingenieros que diseñan computadoras cuánticas enfrentan el desafío de unir los dos mundos aparentemente incompatibles de las computadoras cuánticas y clásicas. Las computadoras cuánticas se basan en las reglas probabilísticas contrarias a la intuición de la mecánica cuántica que gobiernan el mundo microscópico, lo que les permite realizar cálculos que las computadoras comunes no pueden. Debido a que las personas viven en el mundo visible macroscópico donde reina la física clásica, la electrónica de control y lectura actúa como intérprete que conecta estos dos mundos.
La electrónica de control utiliza señales del mundo clásico como instrucciones para los bits cuánticos o qubits de la computadora, mientras que la electrónica de lectura mide los estados de los qubits y transmite esa información al mundo clásico.
Una tecnología prometedora para las computadoras cuánticas utiliza circuitos superconductores como qubits. Actualmente, la mayoría de los sistemas de control y lectura para computadoras cuánticas superconductoras utilizan equipos comerciales estándar que no están especializados en la tarea. Como resultado, los investigadores a menudo deben ensamblar una docena o más de componentes costosos. El costo puede ascender rápidamente a decenas de miles de dólares por qubit, y el gran tamaño de estos sistemas crea más problemas.
A pesar de los avances tecnológicos recientes, los qubits todavía tienen una vida útil relativamente corta, generalmente una fracción de milisegundo, después de la cual generan errores. «Cuando trabajas con qubits, el tiempo es crítico. La electrónica clásica tarda en responder a los qubits, lo que limita el rendimiento de la computadora”, dijo Cancelo.
Así como la eficacia de un intérprete depende de una comunicación rápida, la eficacia de un sistema de control y lectura depende de su tiempo de respuesta. Y un gran sistema hecho de muchos módulos significa largos tiempos de respuesta.
Para abordar este problema, Cancelo y su equipo en Fermilab diseñaron un sistema compacto de control y lectura. El equipo incorporó las capacidades de un rack completo de equipos en una sola placa electrónica un poco más grande que una computadora portátil. El nuevo sistema está especializado, pero es lo suficientemente versátil como para ser compatible con muchos diseños de qubits superconductores.
“Estamos diseñando un instrumento general para una gran variedad de qubits, con la esperanza de cubrir los que se diseñarán dentro de seis meses o un año”, dijo Cancelo. «Con nuestra electrónica de control y lectura, puede lograr una funcionalidad y un rendimiento que son difíciles o imposibles de lograr con equipos comerciales».
El control y la lectura de los qubits dependen de los pulsos de microondas, ondas de radio a frecuencias similares a las señales que transmiten las llamadas de teléfonos móviles y calientan las cenas en el microondas. El tablero de radiofrecuencia (RF) del equipo Fermilab contiene más de 200 elementos: mezcladores para ajustar las frecuencias; filtros para eliminar frecuencias no deseadas; amplificadores y atenuadores para ajustar la amplitud de las señales; e interruptores para encender y apagar las señales. La placa también contiene un control de baja frecuencia para ajustar ciertos parámetros de qubit. Junto con una matriz comercial de puertas programables en campo, o FPGA, que sirve como el «cerebro» de la computadora, la placa de RF proporciona todo lo que los científicos necesitan para comunicarse con éxito con el mundo cuántico.
La producción de las dos placas compactas cuesta alrededor de 10 veces menos que los sistemas convencionales. En su configuración más simple, pueden controlar ocho qubits. La integración de todos los componentes de RF en una sola placa permite un funcionamiento más rápido y preciso, así como retroalimentación en tiempo real y corrección de errores.
«Necesitas inyectar señales que sean muy, muy rápidas y muy, muy cortas», dijo el ingeniero de Fermilab Leandro Stefanazzi, miembro del equipo. «Si no controla tanto la frecuencia como la duración de estas señales con mucha precisión, entonces su qubit no se comportará de la manera que desea».
El diseño de la placa y el diseño de RF tomó alrededor de seis meses y presentó desafíos sustanciales: los elementos del circuito adyacente tenían que coincidir con precisión para que las señales viajaran sin problemas sin rebotar ni interferir entre sí. Además, los ingenieros tuvieron que evitar cuidadosamente los diseños que captarían ondas de radio perdidas de fuentes como teléfonos celulares y WiFi. En el camino, realizaron simulaciones para verificar que estaban en el camino correcto.
El diseño ya está listo para la fabricación y el montaje, con el objetivo de tener placas RF en funcionamiento este verano.
A lo largo del proceso, los ingenieros de Fermilab probaron sus ideas con la Universidad de Chicago. La nueva placa RF es ideal para investigadores como Schuster que buscan realizar avances fundamentales en computación cuántica utilizando una amplia variedad de arquitecturas y dispositivos de computación cuántica.
«A menudo bromeo diciendo que esta placa reemplazará potencialmente a casi todos los equipos de prueba que tengo en mi laboratorio», dijo Schuster. «Hacer equipo con personas que pueden hacer que la electrónica funcione a ese nivel es increíblemente gratificante para nosotros».
El nuevo sistema es fácilmente escalable. Los controles de qubit de multiplexación de frecuencia, de forma análoga a enviar varias conversaciones telefónicas por el mismo cable, permitirían que una sola placa de RF controle hasta 80 qubits. Gracias a su pequeño tamaño, varias docenas de placas podrían conectarse y sincronizarse con el mismo reloj como parte de computadoras cuánticas más grandes. Cancelo y sus colegas describieron su nuevo sistema en un artículo publicado recientemente en el AIP Revisión de instrumentos científicos.
El equipo de ingeniería de Fermilab ha aprovechado un nuevo chip FPGA comercial, el primero en integrar convertidores de digital a analógico y de analógico a digital directamente en la placa. Acelera sustancialmente el proceso de creación de la interfaz entre las placas FPGA y RF, que habría llevado meses sin ella. Para mejorar las futuras versiones de su sistema de control y lectura, el equipo ha comenzado a diseñar su propio hardware FPGA.
El desarrollo de QICK fue apoyado por QuantISED, el Quantum Science Center (QSC) y más tarde por el Superconducting Quantum Materials and Systems Center (SQMS) alojado por Fermilab. La electrónica QICK es importante para la investigación en SQMS, donde los científicos están desarrollando qubits superconductores con una larga vida útil. También es de interés para un segundo centro cuántico nacional donde Fermilab juega un papel clave, el QSC organizado por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge.
Una versión de bajo costo del hardware ahora está disponible solo para universidades con fines educativos. “Debido a su bajo costo, permite que las instituciones más pequeñas tengan un control cuántico poderoso sin gastar cientos de miles de dólares”, dijo Cancelo.
“Desde el punto de vista científico, estamos trabajando en uno de los temas más candentes de la física de la década como una oportunidad”, agregó. «Desde el punto de vista de la ingeniería, lo que disfruto es que muchas áreas de la ingeniería electrónica deben unirse para poder ejecutar con éxito este proyecto».
El Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi es el principal laboratorio nacional de Estados Unidos para la investigación de aceleradores y física de partículas. Fermilab, un laboratorio de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU., está ubicado cerca de Chicago, Illinois, y es operado bajo contrato por Fermi Research Alliance LLC, una asociación conjunta entre la Universidad de Chicago y la Universities Research Association, Inc. ¿Visita?Web de Fermilab?y síganos en Twitter en?@Fermilab.
