Инженеры разрабатывают новую управляющую электронику для квантовых компьютеров, которая повышает производительность и снижает затраты

При разработке квантового а следующего поколения удивительно большой проблемой является преодоление разрыва в связи между классическим и квантовым мирами. Такие компьютеры нуждаются в специализированной управляющей и считывающей ике для перевода между человеком-оператором и языками квантового компьютера, но существующие системы громоздки и дороги.


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

«Разработка комплекта управления квантовыми приборами является прекрасным примером инвестиций США в совместные исследования в области квантовых технологий с партнерством между промышленностью, академическими кругами и правительством для ускорения доконкурентных квантовых исследований и разработок», — сказала Гарриет Кунг, заместитель директора Министерства энергетики США по науке. программы Управления науки и исполняющий обязанности заместителя директора по науке физики высоких энергий.

Более быстрые и экономичные элементы управления были разработаны группой инженеров Fermilab во главе со старшим главным инженером Густаво Кансело в сотрудничестве с Чикагским университетом, целью которых было создание и тестирование программируемого контроллера на основе вентильной матрицы (FPGA) для квантовые вычислительные эксперименты. Дэвид Шустер, физик из Чикагского университета, руководил университетской лабораторией, которая помогала со спецификациями и проверкой реального оборудования.

«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 принимается квантовым сообществом».

Инженеры, разрабатывающие квантовые компьютеры, решают задачу соединения двух, казалось бы, несовместимых миров квантовых и классических компьютеров. Квантовые компьютеры основаны на противоречивых вероятностных правилах квантовой механики, управляющих микроскопическим миром, что позволяет им выполнять вычисления, недоступные обычным компьютерам. Поскольку человек живет в макроскопическом видимом мире, где царит классическая физика, то управляющая и считывающая электроника выступает интерпретатором, связывающим 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 в большинстве систем управления и считывания для сверхпроводящих квантовых компьютеров используется готовое коммерческое оборудование, не предназначенное для решения этой задачи. В результате исследователям часто приходится связывать вместе 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 короткое время жизни, обычно 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 Кансело.