Namun, sistem elektronik kontrol dan pembacaan baru yang dikenal sebagai Quantum Instrumentation Control Kit (QICK), yang dikembangkan oleh para insinyur di Laboratorium Akselerator Nasional Fermi Departemen Energi AS, memberikan kinerja komputer kuantum sekaligus mengurangi biaya peralatan kontrol. terbukti meningkat secara signifikan. ..

“Pengembangan Quantum Instrumentation Control Kit adalah contoh yang bagus dari investasi AS dalam penelitian teknologi kuantum bersama melalui kemitraan antara industri, akademisi, dan pemerintah untuk mempercepat penelitian dan pengembangan teknologi kuantum pra-kompetitif,” kata DOE Science Harriet Kung, Wakil Direktur , dikatakan. Sebuah program untuk Departemen Sains dan Wakil Direktur Sains dalam Fisika Energi Tinggi.

Kontrol yang lebih cepat dan lebih hemat biaya dikembangkan oleh tim insinyur Fermilab yang dipimpin oleh insinyur utama senior Gustavo Cancelo bekerja sama dengan Universitas Chicago untuk membuat dan menguji pengontrol berbasis larik gerbang yang dapat diprogram (FPGA) lapangan. .. Eksperimen komputasi kuantum. David Schuster, fisikawan di University of Chicago, memimpin laboratorium universitas untuk membantu spesifikasi dan validasi perangkat keras dunia nyata.

“Ini adalah jenis proyek yang menggabungkan kekuatan laboratorium nasional dan universitas,” kata Schuster. “Ada kebutuhan yang jelas untuk ekosistem perangkat keras manajemen sumber terbuka, yang dengan cepat diadopsi oleh komunitas kuantum.”

Insinyur yang merancang komputer kuantum menghadapi tantangan menjembatani dunia komputer kuantum dan komputer klasik yang tampaknya tidak kompatibel. Komputer kuantum didasarkan pada aturan stokastik kontra-intuitif mekanika kuantum yang mendominasi dunia mikroskopis, memungkinkan mereka untuk melakukan perhitungan yang komputer biasa tidak bisa. Karena orang hidup di dunia makroskopik dan kasat mata yang didominasi oleh fisika klasik, elektronik kontrol dan pembacaan bertindak sebagai penerjemah yang menghubungkan dua dunia ini.

Kontrol perangkat elektronik menggunakan sinyal dari dunia klasik sebagai instruksi untuk bit kuantum atau qubit komputer, dan membaca perangkat elektronik mengukur keadaan bit kuantum dan mengembalikan informasi itu ke dunia klasik.

Salah satu teknik yang menjanjikan untuk komputer kuantum adalah dengan menggunakan sirkuit superkonduktor sebagai qubit. Saat ini, sebagian besar sistem kontrol dan pembacaan di komputer kuantum superkonduktor menggunakan peralatan komersial siap pakai yang tidak dikhususkan untuk tugas ini. Akibatnya, para peneliti sering kali perlu menyatukan 12 atau lebih komponen yang mahal. Biaya dapat dengan cepat mencapai puluhan ribu dolar per qubit, dan ukuran besar dari sistem ini menciptakan lebih banyak masalah.

Meskipun kemajuan teknologi baru-baru ini, qubit masih memiliki umur yang relatif pendek, biasanya sepersekian milidetik, setelah itu terjadi kesalahan. “Waktu penting ketika berhadapan dengan qubit... Perangkat elektronik tradisional membutuhkan waktu lebih lama untuk merespons qubit, membatasi kinerja komputer, “kata Cancelo.

Sama seperti efektivitas seorang juru bahasa tergantung pada komunikasi yang cepat, efektivitas sistem kontrol dan membaca tergantung pada durasinya. Juga, sistem besar dengan banyak modul berarti akan memakan waktu lebih lama.

Untuk mengatasi masalah ini, Cancello dari Fermilab dan timnya merancang sistem kontrol dan pembacaan yang ringkas. Tim menggabungkan fungsionalitas seluruh rak peralatan ke dalam satu papan elektronik, sedikit lebih besar dari laptop. Meskipun sistem baru ini terspesialisasi, sistem ini cukup fleksibel untuk kompatibel dengan banyak desain qubit superkonduktor.

“Kami sedang merancang berbagai macam peralatan umum untuk qubit dan kami berharap dapat mencakup peralatan yang akan dirancang enam bulan atau satu tahun dari sekarang,” kata Cancelo. “Elektronik kontrol dan pembacaan kami dapat digunakan untuk mencapai fitur dan kinerja yang sulit atau tidak mungkin dilakukan dengan peralatan komersial.”

Kontrol dan pembacaan kubik tergantung pada pulsa gelombang mikro. Ini adalah gelombang radio dengan frekuensi yang mirip dengan sinyal yang membawa panggilan telepon seluler dan memanaskan makan malam microwave. Papan Frekuensi Radio (RF) tim Fermilab berisi lebih dari 200 elemen. Sebuah mixer untuk fine-tuning frekuensi. Filter untuk menghilangkan frekuensi yang tidak diinginkan. Amplifier dan attenuator untuk mengatur amplitudo sinyal. Mengaktifkan/menonaktifkan sinyal. Papan juga berisi kontrol frekuensi rendah untuk menyesuaikan parameter hasta tertentu. Papan RF, bersama dengan papan field programmable gate array (FPGA) yang tersedia secara komersial yang bertindak sebagai “otak” komputer, menyediakan semua yang dibutuhkan ilmuwan untuk berhasil berkomunikasi dengan dunia kuantum.

Dua papan kompak sekitar 10 kali lebih murah untuk diproduksi daripada sistem tradisional. Dalam konfigurasi paling sederhana, Anda dapat mengontrol 8 qubit. Mengkonsolidasikan semua komponen RF ke dalam satu papan memberikan umpan balik waktu nyata dan koreksi kesalahan, serta operasi yang lebih cepat dan lebih akurat.

“Kami perlu menyuntikkan sinyal yang sangat, sangat cepat, sangat pendek,” kata Leandro Stefanati, seorang insinyur Fermilab yang merupakan anggota tim. “Jika Anda tidak mengontrol frekuensi dan durasi sinyal ini dengan sangat tepat, qubit tidak akan berfungsi seperti yang diharapkan.”

Merancang papan dan tata letak RF memakan waktu sekitar 6 bulan dan merupakan tantangan besar. Elemen sirkuit yang berdekatan harus sama persis sehingga sinyal berjalan mulus tanpa memantul atau mengganggu satu sama lain. Selain itu, para insinyur harus hati-hati menghindari tata letak yang menangkap gelombang radio yang hanyut dari sumber seperti ponsel dan WiFi. Sepanjang jalan, mereka menjalankan simulasi untuk memastikan mereka berada di jalur yang benar.

Sekarang Anda siap merancang dan merakit dengan tujuan agar papan RF Anda berfungsi musim panas ini.

Selama proses tersebut, para insinyur Fermilab menguji gagasan tersebut di Universitas Chicago. Papan RF baru sangat ideal untuk peneliti seperti Schuster yang mencoba untuk secara radikal memajukan komputasi kuantum dengan berbagai macam arsitektur dan perangkat komputer kuantum.

“Saya sering bercanda bahwa papan yang satu ini bisa menggantikan hampir semua alat uji di lab saya,” kata Schuster. “Sangat bermanfaat bagi kami untuk bekerja sama dengan orang-orang yang dapat membuat perangkat elektronik bekerja pada tingkat itu.”

Sistem baru dapat dengan mudah diperluas. Kontrol qubit frekuensi-multipleks, mirip dengan mengirim percakapan di beberapa telepon melalui kabel yang sama, memungkinkan satu papan RF untuk mengontrol hingga 80 qubit. Karena ukurannya yang kecil, lusinan papan dapat dihubungkan dan disinkronkan ke jam yang sama sebagai bagian dari komputer kuantum yang lebih besar. Cancelo dan rekan-rekannya menggambarkan sistem baru mereka dalam makalah yang baru-baru ini diterbitkan. AIP Ulasan instrumen ilmiah..

Tim teknik Fermilab memanfaatkan chip FPGA komersial baru. Ini adalah chip pertama yang mengintegrasikan konverter digital-ke-analog dan analog-ke-digital langsung ke board. Ini sangat mempercepat proses pembuatan antarmuka antara FPGA dan papan RF. Tanpa ini, itu akan memakan waktu beberapa bulan. Untuk meningkatkan versi sistem kontrol dan baca di masa mendatang, tim mulai merancang perangkat keras FPGA mereka sendiri.

Pengembangan QICK didukung oleh QuantISED, Quantum Science Center (QSC), dan kemudian oleh Superconducting Quantum Materials and Systems Center (SQMS) yang diselenggarakan oleh Fermilab. Elektronik QICK penting untuk penelitian di SQMS, tempat para ilmuwan mengembangkan qubit superkonduktor yang berumur panjang. Kami juga tertarik dengan QSC yang diselenggarakan oleh Laboratorium Nasional Oak Ridge, pusat kuantum nasional kedua di mana Institut Fermi memainkan peran penting.

Saat ini, versi perangkat keras yang murah hanya tersedia di perguruan tinggi pendidikan. “Karena biayanya yang rendah, institusi kecil dapat melakukan kontrol kuantum yang kuat tanpa menghabiskan ratusan ribu dolar,” kata Cancelo.

“Dari sudut pandang ilmiah, kami sedang mengerjakan salah satu topik terpanas dalam fisika selama 10 tahun sebagai peluang,” tambahnya. “Dari perspektif teknik, apa yang saya nikmati adalah bahwa banyak bidang elektronik perlu disatukan untuk keberhasilan proyek ini.”

Laboratorium Akselerator Nasional Fermi adalah salah satu laboratorium nasional terkemuka di Amerika Serikat untuk fisika partikel dan penelitian akselerator. Fermilab, Institut Sains Departemen Energi AS, terletak di dekat Chicago, Illinois dan beroperasi di bawah kontrak dengan Fermi Research Alliance LLC, kemitraan bersama antara Universitas Chicago dan Asosiasi Riset Universitas.Situs web Fermilab?? Ikuti kami di Twitter.@Fermilab..