Однако новая система управления и считывания электронных данных, известная как Quantum Instrumentation Control Kit, или QICK, разработанная инженерами Национальной ускорительной лаборатории Ферми Министерства энергетики США, доказала, что значительно повышает производительность квантового компьютера при одновременном снижении стоимости управляющего оборудования.

"Разработка комплекта Quantum Instrumentation Control Kit является отличным примером инвестиций США в совместные исследования в области квантовых технологий с партнерством между промышленностью, академическими кругами и правительством для ускорения предконкурентных квантовых исследований и разработок", - сказала Харриет Кунг, заместитель директора DOE по научным программам Управления науки и исполняющая обязанности заместителя директора наук по физике высоких энергий.

Более быстрые и экономичные элементы управления были разработаны командой инженеров Fermilab во главе со старшим главным инженером Густаво Кансело в сотрудничестве с Чикагским университетом, целью которого было создать и протестировать контроллер на базе программируемой в полевых условиях вентильной матрицы (FPGA) для экспериментов с квантовыми вычислениями. Дэвид Шустер, физик из Чикагского университета, возглавлял университетскую лабораторию, которая помогала со спецификациями и проверкой на реальном оборудовании.

"Это именно тот тип проекта, который сочетает в себе сильные стороны национальной лаборатории и университета", - сказал Шустер. "Существует явная потребность в аппаратной экосистеме управления с открытым исходным кодом, и она быстро внедряется квантовым сообществом".

Инженеры, разрабатывающие квантовые компьютеры, сталкиваются с проблемой соединения двух, казалось бы, несовместимых миров квантовых и классических компьютеров. Квантовые компьютеры основаны на нелогичных, вероятностных правилах квантовой механики, которые управляют микроскопическим миром, что позволяет им выполнять вычисления, недоступные обычным компьютерам. Поскольку люди живут в макроскопическом видимом мире, где царит классическая физика, управляющая и считывающая электроника выступает в качестве интерпретатора, соединяющего эти два мира.

Управляющая электроника использует сигналы из классического мира в качестве инструкций для квантовых битов компьютера, или кубитов, в то время как считывающая электроника измеряет состояния кубитов и передает эту информацию обратно в классический мир.

Одна многообещающая технология для квантовых компьютеров использует сверхпроводящие схемы в качестве кубитов. В настоящее время большинство систем управления и считывания для сверхпроводящих квантовых компьютеров используют готовое коммерческое оборудование, не специализированное для этой задачи. В результате исследователям часто приходится соединять воедино дюжину или более дорогостоящих компонентов. Стоимость может быстро составить десятки тысяч долларов за кубит, а большой размер этих систем создает больше проблем.

Несмотря на недавние технологические достижения, кубиты по-прежнему имеют относительно короткий срок службы, обычно составляющий доли миллисекунды, после чего они генерируют ошибки. "Когда вы работаете с кубитами, время имеет решающее значение. Классической электронике требуется время, чтобы отреагировать на кубиты, что ограничивает производительность компьютера", - сказал Канселу.

Точно так же, как эффективность переводчика зависит от быстрой коммуникации, эффективность системы контроля и считывания зависит от времени ее выполнения. А большая система, состоящая из множества модулей, означает длительное время выполнения работ.

Чтобы решить эту проблему, Канселу и его команда в Fermilab разработали компактную систему управления и считывания показаний. Команда объединила возможности целой стойки оборудования в одной электронной плате размером чуть больше ноутбука. Новая система специализирована, но при этом достаточно универсальна, чтобы быть совместимой со многими конструкциями сверхпроводящих кубитов.

"Мы разрабатываем общий инструмент для большого разнообразия кубитов, надеясь охватить те, которые будут разработаны через шесть месяцев или год", - сказал Канселу. "С помощью нашей электроники управления и считывания показаний вы можете достичь функциональности и производительности, которые трудно или невозможно достичь с коммерческим оборудованием".

Управление и считывание кубитов зависят от микроволновых импульсов - радиоволн с частотами, подобными сигналам, которые передают звонки по мобильному телефону и разогревают обеды в микроволновой печи. Радиочастотная плата (RF) команды Fermilab содержит более 200 элементов: микшеры для настройки частот; фильтры для удаления нежелательных частот; усилители и аттенюаторы для регулировки амплитуды сигналов; и переключатели для включения и выключения сигналов. Плата также содержит низкочастотный регулятор для настройки определенных параметров кубита. Вместе с коммерческой программируемой в полевых условиях матрицей вентилей, или ПЛИС, которая служит "мозгом" компьютера, радиочастотная плата обеспечивает все необходимое ученым для успешной коммуникации с квантовым миром.

Производство двух компактных плат обходится примерно в 10 раз дешевле, чем обычных систем. В своей простейшей конфигурации они могут управлять восемью кубитами. Интеграция всех радиочастотных компонентов на одной плате обеспечивает более быструю и точную работу, а также обратную связь в режиме реального времени и исправление ошибок.

"Вам нужно вводить сигналы, которые будут очень, очень быстрыми и очень, очень короткими", - сказал инженер Fermilab Леандро Стефанацци, член команды. "Если вы не будете очень точно контролировать частоту и длительность этих сигналов, то ваш кубит не будет вести себя так, как вы хотите".

Проектирование радиочастотной платы и компоновки заняло около шести месяцев и представляло значительные трудности: соседние элементы схемы должны были точно соответствовать друг другу, чтобы сигналы проходили плавно, не отражаясь и не мешая друг другу. Кроме того, инженерам приходилось тщательно избегать компоновок, которые могли бы улавливать случайные радиоволны от таких источников, как сотовые телефоны и Wi-Fi. По пути они провели моделирование, чтобы убедиться, что они на правильном пути.

Теперь конструкция готова к изготовлению и сборке, с целью получения рабочих радиочастотных плат этим летом.

На протяжении всего процесса инженеры Fermilab тестировали свои идеи с Чикагским университетом. Новая радиочастотная плата идеально подходит для таких исследователей, как Шустер, которые стремятся добиться фундаментальных успехов в области квантовых вычислений, используя широкий спектр архитектур и устройств квантовых компьютеров.

"Я часто шучу, что эта плата потенциально заменит почти все испытательное оборудование, которое есть у меня в лаборатории", - сказал Шустер. "Возможность объединиться с людьми, которые могут заставить электронику работать на таком уровне, невероятно полезна для нас".

Новая система легко масштабируется. Управление кубитами с частотным мультиплексированием, аналогичное отправке нескольких телефонных разговоров по одному кабелю, позволило бы одной радиочастотной плате управлять до 80 кубитами. Благодаря их небольшому размеру несколько десятков плат могут быть соединены вместе и синхронизированы с одними и теми же часами как часть более крупных квантовых компьютеров. Канселу и его коллеги описали свою новую систему в статье, недавно опубликованной в AIP Обзор научных инструментов.

Команда инженеров Fermilab воспользовалась преимуществами нового коммерческого чипа FPGA, первого, который интегрирует цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи непосредственно в плату. Это существенно ускоряет процесс создания интерфейса между ПЛИС и радиочастотными платами, который без этого занял бы месяцы. Чтобы улучшить будущие версии своей системы управления и считывания данных, команда приступила к разработке собственного оборудования FPGA.

Разработка QICK была поддержана QuantISED, Центром квантовых наук (QSC), а позже Центром сверхпроводящих квантовых материалов и систем (SQMS), размещенным в Fermilab. Электроника QICK важна для исследований в SQMS, где ученые разрабатывают сверхпроводящие кубиты с длительным сроком службы. Это также представляет интерес для второго национального квантового центра, где Fermilab играет ключевую роль, QSC, размещенного Национальной лабораторией Ок-Риджа.

Недорогая версия аппаратного обеспечения теперь доступна только для университетов в образовательных целях. "Благодаря своей низкой стоимости он позволяет небольшим учреждениям иметь мощный квантовый контроль, не тратя сотни тысяч долларов", - сказал Канселу.

"С научной точки зрения, мы работаем над одной из самых горячих тем в физике десятилетия как над возможностью", - добавил он. "С инженерной точки зрения, что мне нравится, так это то, что многие области электронной инженерии должны объединиться, чтобы иметь возможность успешно выполнить этот проект".

Национальная ускорительная лаборатория Ферми является ведущей национальной лабораторией Америки по физике элементарных частиц и ускорительным исследованиям. Научная лаборатория Fermilab Министерства энергетики США расположена недалеко от Чикаго, штат Иллинойс, и управляется по контракту Fermi Research Alliance LLC, совместным партнерством Чикагского университета и Ассоциации исследовательских университетов, Inc. Посетить?Веб-сайт Фермилаба? и подписывайтесь на нас в Твиттере по адресу?@Fermilab.