مهندسان Fermilab در حال توسعه الکترونیک کنترل جدید برای کامپیوترهای کوانتومی هستند که عملکرد را بهبود می بخشد و هزینه ها را کاهش می دهد

در طراحی یک کامپیوتر کوانتومی نسل بعدی، یک مشکل شگفت‌آور بزرگ، پر کردن شکاف ارتباطی بین دنیای کلاسیک و کوانتومی است. چنین رایانه‌هایی برای ترجمه به عقب و جلو بین اپراتور انسانی و زبان‌های کامپیوتر کوانتومی نیاز به کنترل تخصصی و الکترونیک گزارش‌دهنده دارند – اما سیستم‌های موجود دست و پا گیر و گران هستند.

با این حال، یک سیستم الکترونیکی کنترل و بازخوانی جدید به نام کیت کنترل ابزار کوانتومی یا QICK که توسط مهندسان آزمایشگاه شتاب دهنده ملی فرمی وزارت انرژی ایالات متحده توسعه یافته است، ثابت کرده است که عملکرد کامپیوتر کوانتومی را به طور چشمگیری بهبود می بخشد و در عین حال هزینه تجهیزات کنترل را کاهش می دهد.

هریت کونگ، معاون مدیر DOE می گوید: «توسعه کیت مدیریت ابزار دقیق کوانتومی نمونه ای عالی از سرمایه گذاری ایالات متحده در تحقیقات مشترک فناوری کوانتومی با مشارکت بین صنعت، دانشگاه و دولت است تا فناوری های تحقیق و توسعه کوانتومی پیش رقابتی را تسریع بخشد. برنامه های علمی برای دفتر علوم و سرپرست معاونت علمی برای فیزیک انرژی بالا.

کنترل‌های سریع‌تر و مقرون‌به‌صرفه‌تر توسط تیمی از مهندسان Fermilab به رهبری مهندس ارشد گوستاوو کانسلو با همکاری دانشگاه شیکاگو، که هدفشان ایجاد و آزمایش یک آرایه دروازه‌ای قابل برنامه‌ریزی میدانی (FPGA) مبتنی بر آن بود، توسعه داده شد. کنترل کننده برای آزمایش های محاسباتی کوانتومی دیوید شوستر، فیزیکدان دانشگاه شیکاگو، آزمایشگاه دانشگاه را رهبری کرد که به مشخصات و تأیید سخت افزار واقعی کمک کرد.

شوستر گفت: “این دقیقاً همان نوع پروژه ای است که نقاط قوت یک آزمایشگاه ملی و یک دانشگاه را ترکیب می کند.” نیاز آشکاری به یک اکوسیستم سخت افزاری کنترل منبع باز وجود دارد و به سرعت توسط جامعه کوانتومی پذیرفته می شود.

مهندسان طراح کامپیوترهای کوانتومی با چالش پل زدن بین دو دنیای به ظاهر ناسازگار کامپیوترهای کوانتومی و کلاسیک روبرو هستند. رایانه‌های کوانتومی بر اساس قوانین غیرشهودی و احتمالی مکانیک کوانتومی است که بر دنیای میکروسکوپی حاکم است و به آنها امکان می‌دهد محاسباتی را انجام دهند که رایانه‌های معمولی نمی‌توانند. از آنجایی که انسان ها در دنیای مرئی ماکروسکوپی زندگی می کنند که در آن فیزیک کلاسیک حاکم است، الکترونیک کنترل و حسگر به عنوان مفسری عمل می کند که این دو جهان را به هم متصل می کند.

الکترونیک کنترل از سیگنال های دنیای کلاسیک به عنوان دستورالعمل برای بیت های کوانتومی کامپیوتر یا کیوبیت ها استفاده می کند، در حالی که الکترونیک بازخوانی حالت های کیوبیت ها را اندازه گیری می کند و آن اطلاعات را به دنیای کلاسیک ارسال می کند.

یکی از فناوری‌های امیدوارکننده برای محاسبات کوانتومی از مدارهای ابررسانا مانند کیوبیت استفاده می‌کند. در حال حاضر، اکثر سیستم های کنترل و گزارش برای کامپیوترهای کوانتومی ابررسانا از تجهیزات تجاری خارج از قفسه استفاده می کنند که برای این کار تخصصی نیستند. در نتیجه، محققان اغلب مجبورند دوازده یا چند جزء گران‌تر را به هم بچسبانند. این هزینه می تواند به سرعت به ده ها هزار دلار در هر کیوبیت اضافه شود و اندازه بسیار زیاد این سیستم ها مشکلات بیشتری را ایجاد می کند.

علیرغم پیشرفت‌های تکنولوژیکی اخیر، کیوبیت‌ها هنوز عمر نسبتاً کوتاهی دارند، معمولاً کسری از میلی‌ثانیه و پس از آن خطا ایجاد می‌کنند. “هنگام کار با کیوبیت ها، زمان بندی بسیار مهم است. Cancelo گفت: الکترونیک کلاسیک برای پاسخ به کیوبیت ها زمان می برد و عملکرد رایانه را محدود می کند.

همانطور که اثربخشی یک مترجم به ارتباط سریع بستگی دارد، اثربخشی یک سیستم کنترل و خواندن به زمان اجرای آن بستگی دارد. و یک سیستم بزرگ متشکل از ماژول های زیادی به معنای زمان اجرای طولانی است.

برای رفع این مشکل، کنسلو و تیمش در Fermilab یک سیستم کنترل و گزارش فشرده طراحی کردند. این تیم قابلیت‌های یک کابینت کامل از تجهیزات را در یک برد الکترونیکی که کمی بزرگتر از یک لپ‌تاپ است، ترکیب کردند. سیستم جدید تخصصی است اما به اندازه کافی انعطاف پذیر است تا با بسیاری از طرح های کیوبیت ابررسانا سازگار باشد.

Cancelo گفت: “ما در حال طراحی یک ابزار عمومی برای طیف گسترده ای از کیوبیت ها هستیم، امیدواریم بتوانیم آنهایی را که ظرف شش ماه یا یک سال طراحی می شوند، پوشش دهیم.” با تجهیزات الکترونیکی کنترل و حسگر ما، می توانید به عملکرد و عملکردی دست پیدا کنید که با تجهیزات تجاری دشوار یا غیرممکن است.

کنترل و سنجش کیوبیت‌ها به پالس‌های مایکروویو بستگی دارد – امواج رادیویی با فرکانس‌هایی مشابه سیگنال‌هایی که تماس‌های تلفن همراه را حمل می‌کنند و شام را در اجاق مایکروویو گرم می‌کنند. برد فرکانس رادیویی (RF) تیم Fermilab شامل بیش از 200 عنصر است: میکسرهای تنظیم فرکانس. فیلترهایی برای حذف فرکانس های ناخواسته؛ تقویت کننده ها و تضعیف کننده ها برای تنظیم دامنه سیگنال ها. و کلیدهای روشن و خاموش چشمک زن. این برد همچنین دارای یک کنترل فرکانس پایین برای تنظیم پارامترهای کیوبیت خاص است. همراه با یک آرایه دروازه تجاری قابل برنامه ریزی میدانی یا برد FPGA که به عنوان “مغز” کامپیوتر عمل می کند، برد RF همه چیزهایی را که دانشمندان برای برقراری ارتباط موفقیت آمیز با دنیای کوانتومی نیاز دارند را فراهم می کند.

هزینه ساخت دو تخته فشرده حدود 10 برابر کمتر از سیستم های معمولی است. در ساده ترین پیکربندی خود، آنها می توانند هشت کیوبیت را کنترل کنند. ادغام تمام اجزای RF روی یک برد واحد، عملکرد سریعتر و دقیق تر و همچنین بازخورد و تصحیح خطا را در زمان واقعی امکان پذیر می کند.

لئاندرو استفانازی، مهندس Fermilab، یکی از اعضای تیم گفت: “شما باید سیگنال هایی را تزریق کنید که بسیار بسیار سریع و بسیار کوتاه هستند.” “اگر شما فرکانس و مدت زمان این سیگنال ها را خیلی دقیق کنترل نکنید، کیوبیت شما آنطور که می خواهید رفتار نمی کند.”

طراحی برد RF و چیدمان حدود شش ماه طول کشید و چالش‌های مهمی را به همراه داشت: عناصر مدار مجاور باید دقیقاً مطابقت داشته باشند تا سیگنال‌ها به آرامی بدون پرش یا تداخل با یکدیگر منتشر شوند. همچنین، مهندسان باید با دقت از طرح‌بندی‌هایی که امواج رادیویی سرگردان را از منابعی مانند تلفن‌های همراه و وای‌فای دریافت می‌کنند، اجتناب کنند. در طول مسیر، آنها شبیه سازی هایی را اجرا کردند تا بررسی کنند که آیا در مسیر درستی هستند یا خیر.

این طرح اکنون آماده تولید و مونتاژ است، با هدف داشتن بردهای RF در تابستان امسال.

در طول این فرآیند، مهندسان Fermilab ایده های خود را با دانشگاه شیکاگو آزمایش کردند. برد مدار RF جدید برای محققانی مانند شوستر که به دنبال پیشرفت های اساسی در آن هستند ایده آل است محاسبات کوانتومی با استفاده از طیف گسترده ای از معماری ها و دستگاه های کامپیوتر کوانتومی.

شوستر گفت: “من اغلب به شوخی می گویم که این یک برد به طور بالقوه جایگزین تقریباً تمام تجهیزات آزمایشی من در آزمایشگاه خواهد شد.” همکاری با افرادی که می توانند وسایل الکترونیکی را در این سطح کار کنند، برای ما بسیار ارزشمند است.”

سیستم جدید به راحتی مقیاس پذیر است. کنترل‌های کیوبیت مالتی پلکس فرکانس، مشابه ارسال چند تماس تلفنی از طریق یک کابل، به یک برد RF اجازه می‌دهد تا حداکثر 80 کیوبیت را کنترل کند. به لطف اندازه کوچک آن، چندین ده تخته را می توان به هم متصل کرد و به عنوان بخشی از کامپیوترهای کوانتومی بزرگتر با ساعت مشابهی هماهنگ کرد. Cancelo و همکارانش سیستم جدید خود را در مقاله ای که اخیراً در مجله منتشر شده است، توصیف کردند AIP مروری بر ابزارهای علمی.

تیم مهندسی Fermilab از یک تراشه تجاری جدید FPGA استفاده کرد، اولین تراشه ای که مبدل های دیجیتال به آنالوگ و آنالوگ به دیجیتال را مستقیماً روی برد ادغام کرد. روند ایجاد رابط بین بردهای FPGA و RF را که بدون آن ماهها طول می کشد، بسیار سرعت می بخشد. برای بهبود نسخه های آینده سیستم کنترل و گزارش خود، این تیم شروع به طراحی سخت افزار FPGA خود کرد.

توسعه QICK توسط کوانتیزه شدهبر مرکز علوم کوانتومی (QSC) و بعداً میزبانی توسط Fermilab مرکز مواد و سیستم های کوانتومی ابررسانا (SQMS). الکترونیک QICK برای تحقیق در SQMS مهم است، جایی که دانشمندان در حال توسعه کیوبیت‌های ابررسانا با عمر طولانی هستند. همچنین مورد توجه دومین مرکز ملی کوانتومی است که Fermilab نقش کلیدی را ایفا می کند، QSC که توسط آزمایشگاه ملی Oak Ridge میزبانی می شود.

نسخه کم هزینه این سخت افزار اکنون فقط برای مقاصد آموزشی در دسترس دانشگاه ها است. Cancelo گفت: «به دلیل هزینه کم، به مؤسسات کوچکتر اجازه می دهد تا بدون صرف صدها هزار دلار، کنترل کوانتومی قدرتمندی داشته باشند.

وی افزود: از نظر علمی، ما در حال کار بر روی یکی از داغ ترین موضوعات دهه فیزیک به عنوان یک فرصت هستیم. از منظر مهندسی، چیزی که من دوست دارم این است که بسیاری از حوزه‌های مهندسی الکترونیک باید کنار هم جمع شوند تا بتوانند این پروژه را با موفقیت اجرا کنند.»

آزمایشگاه ملی شتاب دهنده فرمی، آزمایشگاه ملی پیشرو در آمریکا برای فیزیک ذرات و تحقیقات شتاب دهنده است. یک آزمایشگاه علوم وزارت انرژی ایالات متحده، Fermilab، در نزدیکی شیکاگو، ایلینوی واقع شده است و تحت قراردادی توسط Fermi Research Alliance LLC، مشارکت مشترک بین دانشگاه شیکاگو و انجمن تحقیقات دانشگاه، Inc اداره می شود. یک دیداروب سایت فرمیلابو ما را در توییتر دنبال کنید@Fermilab.

###