Khi thiết kế một máy tính lượng tử thế hệ tiếp theo, một vấn đề lớn đáng ngạc nhiên là thu hẹp khoảng cách giao tiếp giữa thế giới cổ điển và lượng tử. Những máy tính như vậy cần một thiết bị điện tử đọc và điều khiển chuyên biệt để dịch qua lại giữa người vận hành và ngôn ngữ của máy tính lượng tử - nhưng các hệ thống hiện có rất cồng kềnh và đắt tiền.

Tuy nhiên, một hệ thống điện tử điều khiển và đọc mới, được gọi là Bộ điều khiển dụng cụ lượng tử, hoặc QICK, được phát triển bởi các kỹ sư tại Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia Fermi của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, đã chứng minh cải thiện đáng kể hiệu suất máy tính lượng tử trong khi cắt giảm chi phí của thiết bị điều khiển .

Harriet Kung, Phó giám đốc DOE phụ trách khoa học cho biết: “Sự phát triển của Bộ điều khiển dụng cụ lượng tử là một ví dụ xuất sắc về sự đầu tư của Hoa Kỳ vào nghiên cứu công nghệ lượng tử chung với quan hệ đối tác giữa các ngành công nghiệp, học viện và chính phủ để đẩy nhanh các công nghệ nghiên cứu và phát triển lượng tử trước cạnh tranh”. các chương trình cho Văn phòng Khoa học và quyền phó giám đốc khoa học về vật lý năng lượng cao.

Các điều khiển nhanh hơn và tiết kiệm chi phí hơn đã được phát triển bởi một nhóm kỹ sư Fermilab do kỹ sư chính cấp cao Gustavo Cancelo đứng đầu, phối hợp với Đại học Chicago, người có mục tiêu là tạo và thử nghiệm bộ điều khiển dựa trên mảng cổng có thể lập trình tại hiện trường (FPGA) cho thí nghiệm tính toán lượng tử. David Schuster, một nhà vật lý học tại Đại học Chicago, đã lãnh đạo phòng thí nghiệm của trường đại học, nơi hỗ trợ các thông số kỹ thuật và xác minh trên phần cứng thực.

Schuster nói: “Đây chính xác là kiểu dự án kết hợp thế mạnh của phòng thí nghiệm quốc gia và trường đại học. "Rõ ràng là cần có một hệ sinh thái phần cứng điều khiển mã nguồn mở và nó đang được cộng đồng lượng tử nhanh chóng chấp nhận."

Các kỹ sư thiết kế máy tính lượng tử đối phó với thách thức làm cầu nối giữa hai thế giới dường như không tương thích của máy tính lượng tử và máy tính cổ điển. Máy tính lượng tử dựa trên các quy tắc xác suất, phản trực giác của cơ học lượng tử chi phối thế giới vi mô, cho phép chúng thực hiện các phép tính mà máy tính thông thường không thể thực hiện được. Bởi vì con người sống trong thế giới khả kiến ​​vĩ mô, nơi vật lý cổ điển ngự trị, các thiết bị điện tử điều khiển và đọc hiểu hoạt động như một trình thông dịch kết nối hai thế giới này.

Thiết bị điện tử điều khiển sử dụng tín hiệu từ thế giới cổ điển làm hướng dẫn cho các bit lượng tử hoặc qubit của máy tính, trong khi điện tử đọc đo trạng thái của các qubit và truyền tải thông tin đó trở lại thế giới cổ điển.

Một công nghệ đầy hứa hẹn cho máy tính lượng tử sử dụng các mạch siêu dẫn làm qubit. Hiện tại, hầu hết các hệ thống điều khiển và đọc cho máy tính lượng tử siêu dẫn sử dụng thiết bị thương mại không chuyên dụng cho nhiệm vụ này. Do đó, các nhà nghiên cứu thường phải xâu chuỗi một tá hoặc nhiều thành phần đắt tiền lại với nhau. Chi phí có thể nhanh chóng lên đến hàng chục nghìn đô la cho mỗi qubit và kích thước lớn của các hệ thống này tạo ra nhiều vấn đề hơn.

Bất chấp những tiến bộ công nghệ gần đây, qubit vẫn có thời gian tồn tại tương đối ngắn, thường là một phần của mili giây, sau đó chúng tạo ra lỗi. Cancelo cho biết: "Khi bạn làm việc với qubit, thời gian là rất quan trọng. Các thiết bị điện tử cổ điển cần thời gian để phản hồi lại các qubit, hạn chế hiệu suất của máy tính".

Cũng giống như hiệu quả của thông dịch viên phụ thuộc vào giao tiếp nhanh chóng, hiệu quả của hệ thống kiểm soát và đọc tin phụ thuộc vào thời gian quay vòng của nó. Và một hệ thống lớn được tạo thành từ nhiều mô-đun có nghĩa là thời gian quay vòng dài.

Để giải quyết vấn đề này, Cancelo và nhóm của ông tại Fermilab đã thiết kế một hệ thống đọc và kiểm soát nhỏ gọn. Nhóm nghiên cứu đã kết hợp khả năng của toàn bộ giá đỡ thiết bị trong một bảng điện tử lớn hơn một chút so với máy tính xách tay. Hệ thống mới này rất đặc biệt, nhưng nó đủ linh hoạt để tương thích với nhiều thiết kế của qubit siêu dẫn.

Cancelo cho biết: “Chúng tôi đang thiết kế một công cụ chung cho nhiều loại qubit, hy vọng sẽ bao gồm những công cụ sẽ được thiết kế trong sáu tháng hoặc một năm kể từ bây giờ. "Với thiết bị điện tử kiểm soát và đọc của chúng tôi, bạn có thể đạt được chức năng và hiệu suất mà thiết bị thương mại khó hoặc không thể làm được."

Việc kiểm soát và đọc các qubit phụ thuộc vào các xung vi sóng - sóng vô tuyến ở các tần số tương tự như tín hiệu thực hiện các cuộc gọi điện thoại di động và hâm nóng bữa tối bằng lò vi sóng. Bảng tần số vô tuyến (RF) của nhóm Fermilab chứa hơn 200 phần tử: bộ trộn để điều chỉnh tần số; bộ lọc để loại bỏ các tần số không mong muốn; bộ khuếch đại và bộ suy giảm để điều chỉnh biên độ của tín hiệu; và công tắc để bật và tắt tín hiệu. Bo mạch cũng chứa một điều khiển tần số thấp để điều chỉnh các thông số qubit nhất định. Cùng với một mảng cổng lập trình trường thương mại, hoặc FPGA, bảng, đóng vai trò như "bộ não" của máy tính, bảng RF cung cấp mọi thứ mà các nhà khoa học cần để giao tiếp thành công với thế giới lượng tử.

Hai bảng mạch nhỏ gọn có chi phí sản xuất thấp hơn khoảng 10 lần so với các hệ thống thông thường. Trong cấu hình đơn giản nhất, chúng có thể điều khiển tám qubit. Tích hợp tất cả các thành phần RF vào một bo mạch cho phép hoạt động nhanh hơn, chính xác hơn cũng như phản hồi và sửa lỗi theo thời gian thực.

Kỹ sư Leandro Stefanazzi của Fermilab, một thành viên của nhóm cho biết: “Bạn cần phải đưa ra những tín hiệu rất, rất nhanh và rất, rất ngắn. "Nếu bạn không kiểm soát cả tần số và thời lượng của những tín hiệu này một cách chính xác, thì qubit của bạn sẽ không hoạt động theo cách bạn muốn."

Việc thiết kế bo mạch và bố trí RF mất khoảng sáu tháng và đưa ra những thách thức lớn: các phần tử mạch liền kề phải khớp chính xác để tín hiệu truyền đi trơn tru mà không bị dội lại và gây nhiễu lẫn nhau. Thêm vào đó, các kỹ sư đã phải cẩn thận tránh các bố cục thu sóng vô tuyến lạc từ các nguồn như điện thoại di động và WiFi. Trên đường đi, họ chạy mô phỏng để xác minh rằng họ đã đi đúng hướng.

Thiết kế hiện đã sẵn sàng để chế tạo và lắp ráp, với mục tiêu có bo mạch RF hoạt động vào mùa hè này.

Trong suốt quá trình này, các kỹ sư của Fermilab đã thử nghiệm ý tưởng của họ với Đại học Chicago. Bo mạch RF mới lý tưởng cho các nhà nghiên cứu như Schuster, những người đang tìm cách tạo ra những tiến bộ cơ bản trong tính toán lượng tử bằng cách sử dụng nhiều loại kiến ​​trúc và thiết bị máy tính lượng tử.

Schuster nói: “Tôi thường nói đùa rằng một bảng này sẽ có khả năng thay thế gần như tất cả các thiết bị thử nghiệm mà tôi có trong phòng thí nghiệm của mình. "Được hợp tác với những người có thể làm cho thiết bị điện tử hoạt động ở cấp độ đó là vô cùng bổ ích đối với chúng tôi."

Hệ thống mới có thể dễ dàng mở rộng. Các điều khiển qubit ghép kênh theo tần số, tương tự như việc gửi nhiều cuộc trò chuyện điện thoại qua cùng một dây cáp, sẽ cho phép một bo mạch RF duy nhất điều khiển tới 80 qubit. Nhờ kích thước nhỏ của chúng, vài chục bo mạch có thể được liên kết với nhau và đồng bộ hóa với cùng một đồng hồ như một phần của các máy tính lượng tử lớn hơn. Cancelo và các đồng nghiệp của ông đã mô tả hệ thống mới của họ trong một bài báo được xuất bản gần đây trên Tạp chí AIP về các thiết bị khoa học.

Nhóm kỹ sư Fermilab đã tận dụng lợi thế của một chip FPGA thương mại mới, chip đầu tiên tích hợp bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự và tương tự-kỹ thuật số trực tiếp vào bo mạch. Về cơ bản, nó tăng tốc quá trình tạo giao diện giữa bảng FPGA và RF, vốn sẽ mất hàng tháng nếu không có nó. Để cải thiện các phiên bản tương lai của hệ thống kiểm soát và đọc, nhóm đã bắt đầu thiết kế phần cứng FPGA của riêng mình.

Sự phát triển của QICK được hỗ trợ bởi QuantISED, Trung tâm Khoa học Lượng tử (QSC) và sau đó là Trung tâm Hệ thống và Vật liệu Lượng tử Siêu dẫn (SQMS) do Fermilab tổ chức. Thiết bị điện tử QICK rất quan trọng đối với nghiên cứu tại SQMS, nơi các nhà khoa học đang phát triển các qubit siêu dẫn có tuổi thọ cao. Nó cũng quan tâm đến một trung tâm lượng tử quốc gia thứ hai nơi Fermilab đóng vai trò chủ chốt, QSC do Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge chủ trì.

Phiên bản chi phí thấp của phần cứng hiện chỉ có sẵn cho các trường đại học cho mục đích giáo dục. Cancelo cho biết: “Do chi phí thấp, nó cho phép các tổ chức nhỏ hơn có quyền kiểm soát lượng tử mạnh mẽ mà không cần chi hàng trăm nghìn đô la.

"Từ quan điểm khoa học, chúng tôi đang nghiên cứu một trong những chủ đề nóng nhất trong vật lý của thập kỷ như một cơ hội," ông nói thêm. "Từ quan điểm kỹ thuật, điều tôi thích thú là nhiều lĩnh vực kỹ thuật điện tử cần phải kết hợp với nhau để có thể thực hiện thành công dự án này."