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量子计算机的开源控制硬件

2022-02-26 16:55     来源:美国能源部/劳伦斯伯克利国家实验室     加速器 粒子加速器LHC对撞机
劳伦斯伯克利国家实验室 (Berkeley Lab) 的 先进量子测试平台 (AQT)为超导量子处理器开源 了一个新的电子控制和测量系统,使新兴硬件的工程解决方案更容易获得。超导电路是领先的量子计算技术之一,旨在解决经典计算机无法解决的复杂问题。

AQT 的超导量子比特控制系统——简称 QubiC——是可定制和模块化的。QubiC 的性能数据发表在 IEEE Transactions on Quantum Engineering 上。来自伯克利实验室加速器技术和应用物理部 ( ATAP ) 的研究人员 Gang Huang 和 Yilun Xu 领导了 AQT QubiC 设计,利用了粒子加速器研发中强大的技术遗产。AQT 由美国能源部科学办公室的高级科学计算研究 (ASCR) 计划资助。

需要更实惠的量子位控制

量子信息处理器需要昂贵的电子控制装置来精确操纵量子比特。然而,开发能使量子计算机性能最大化的控制硬件既是理论上的也是实验上的挑战。此外,当前的相干时间是短暂的,并且大多数商用电子设备被设计为非量子系统的通用设备。控制和测量硬件的成本、尺寸和复杂性随着量子比特数量的增加而增加。这为全球的初创公司和初级学术研究团体提供了一个重要的障碍。

AQT 在伯克利实验室的研究人员正在通过为当前和未来的超导处理器设计 模块化控制硬件 并开源系统的全栈代码来应对这些控制挑战,以便更广泛的量子信息科学社区可以访问、改进和利用它。

“"较新的控制电子系统不是为量子控制系统量身定做的,"黄解释说。"所以量子研究人员需要通过购买更多的仪器使控制系统变得更大,因为处理器变得更加复杂。但是控制硬件的成本不应该是线性或指数的,这就是我们试图进入的地方。通过从头开始建立一个更容易获得和负担得起的系统,我们真正知道下面会发生什么,以便进一步集成和尝试扩展设计。

QubiC 集成了一个 FPGA(现场可编程门阵列)RF(射频)系统,该系统在室温下调制信号以操纵和测量冷却至低温的超导量子位。AQT 的低温稀释冰箱“暴雪”达到非常低的温度,接近绝对零。

QubiC 基于 Python 的软件和固件实施控制和测量协议,以表征和 基准测试 量子芯片,优化一个和两个量子比特门算法,并 减少错误。实验结果表明,QubiC 以有希望的同步性和速度执行量子算法,以更低的成本提供类似于商用系统的结果。

“我们正在努力提供一种更模块化、更实惠的硬件控制解决方案,它的性能与附加优势相当或略好,”黄强调说。“但我们不能自己做所有事情,所以通过开源代码,我们可以找到一个愿意支持、贡献和发展的社区。”

QubiC 与商业和定制设计的电子产品兼容。因此,来自各种国家实验室、初创公司和公司的测试平台用户对使用 QubiC 的可定制界面部署他们的项目表现出浓厚的兴趣。

徐解释说:“开源 QubiC 系统的完整堆栈使社区受益,因为更多的人可以贡献、定制和改进它。作为从一开始就参与其设计的早期职业研究员,我学会了整合来自从工程到物理到实验。”

利用粒子加速器的传统

AQT 控制硬件的研发来自一个看似不太可能的来源,但它利用了伯克利实验室的起源和 91 年的历史: 粒子加速器。从紧凑型医疗机器到大型强子对撞机等广泛的研究设施,加速器具有多种尺寸和用途,可加速带电粒子并将其汇集到受控光束中以探索物质和能量。

随着粒子加速器变得越来越强大,对最先进的仪器仪表和控制系统的需求也在增加。精确稳定粒子束和产生粒子束的精密设备至关重要。由此产生的技术和专有技术可以使许多其他领域受益,例如量子计算。

Huang 和 Xu 是伯克利加速器控制和仪表 ( BACI ) 计划的成员,在这些控制系统方面的专业知识对于 ATAP 部门的各种努力至关重要。BACI 得到美国能源部高能物理办公室通用加速器研发计划的支持,在为粒子加速器项目开发精密控制和反馈系统方面拥有数十年的历史。“我很高兴看到以前对加速器控制的投资现在可以进一步开发并用于量子比特控制,”BACI 项目负责人李德润说。

“粒子加速器是伯克利实验室科学工作的重要组成部分,因此使用先进的基于 FPGA 的射频控制技术和粒子束工程帮助我们简化了量子硬件的定制,”黄补充道。“AQT 研究人员和测试平台用户能够利用开源工具箱,更深入地了解具有成本效益和可扩展性的灵活控制硬件平台。”

ATAP 主任 Cameron Geddes 将 AQT 超导处理器的 QubiC 设计描述为“在伯克利实验室的团队科学传统中,为一个领域开发的功能如何使其他领域受益的经典示例”。

开放式测试平台

可扩展量子计算机将需要对当前工具和标准技术进行重大修改,这就是为什么 AQT 研究人员率先在伯克利实验室量子计算测试平台项目中使用开源控制硬件,该项目的灵感来自粒子加速器的技术转让。

通过为 AQT 用户提供对 QubiC 及其基础设施的全栈访问,更广泛的社区可以使用最先进的超导量子处理器并共同参与其发展,这可能使 QubiC 也与其他量子计算技术兼容。

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