Demonstrating RFSoC-based Control of a Fully Connected Exchange-Only Qubit

Kwantumcomputers beloven problemen op te lossen die momenteel onmogelijk zijn voor zelfs de krachtigste supercomputers, maar het bouwen ervan vereist een delicate evenwichtsoefening. De kern van veel van deze machines bestaat uit minuscule deeltjes die elektronen worden genoemd, die gevangen kunnen worden in microscopische structuren die bekend staan als kwantumdots. Deze dots fungeren als kunstmatige atomen, die de elektronen op hun plaats houden zodat ze kunnen worden gebruikt als bits aan informatie. De uitdaging voor wetenschappers is niet alleen het creëren van deze dots, maar ook het controleren ervan. Om een kwantumcomputer te laten werken, moeten onderzoekers uiterst precieze elektrische signalen naar deze dots sturen om de elektronen te manipuleren en hun staat uit te lezen. Jarenlang was de apparatuur die nodig is om dit te doen prohibitief duur en moeilijk aan te passen, vaak kostend honderdduizenden dollars en gebruikers vastleggend aan rigide, propriëtaire systemen. Deze hoge kosten en het gebrek aan flexibiliteit hebben de vooruitgang vertraagd, waardoor veel onderzoekslabs niet vrijelijk konden experimenteren met de meest veelbelovende ontwerpen.

Een team van onderzoekers bij HRL Laboratories heeft nu een manier gedemonstreerd om deze flessenhals te doorbreken met behulp van een nieuw, betaalbaar controlesysteem gebouwd op een chip die oorspronkelijk werd ontworpen voor radiocommunicatie. Ze gebruikten dit systeem succesvol om een specif kind van kwantumbit te besturen, gemaakt van drie kwantumdots die in een driehoek zijn gerangschikt. Door te bewijzen dat deze goedkope opstelling complexe, snelle operaties kan uitvoeren met dezelfde precisie als dure commerciële apparatuur, heeft het team de deur geopend voor meer wetenschappers om deze apparaten te bouwen en te testen. Hun werk onthulde ook een verborgen bron van elektrische ruis in hun opstelling, wat laat zien hoe het nieuwe systeem niet alleen gebruikt kan worden om kwantumbits te besturen, maar ook om de elektronica die hen aanstuurt te diagnosticeren en te repareren.

De onderzoekers richtten zich op een ontwerp genaamd een exchange-only qubit, die gebruikmaakt van drie elektronen gevangen in drie afzonderlijke dots. In deze opstelling wordt de informatie niet opgeslagen in de positie van een enkel elektron, maar in de manier waarop de drie elektronen met elkaar interageren. Dit ontwerp heeft een groot voordeel: het is van nature beschermd tegen bepaalde soorten magnetische interferentie die normaal gesproken kwantuminformatie verstoren. Het besturen van deze drie dots is echter moeilijk omdat ze zeer dicht bij elkaar gepakt zitten. Wanneer een wetenschapper probeert een signaal naar één dot te sturen om een elektron te bewegen, lekt het elektrische veld vaak over en duwt per ongeluk de buren aan. Deze "crosstalk" maakt het moeilijk om de precieze bewegingen uit te voeren die nodig zijn voor een berekening. Om dit op te lossen, gebruikte het team een controleplatform genaamd spinQICK, dat draait op een Xilinx Radio Frequency System-on-Chip, of RFSoC. Deze chip is een krachtige hardware die een snelle computerprocessor combineert met snelle digitaal-naar-analoog converters, allemaal op een enkele printplaat die ongeveer duizend dollar per kanaal kost, een fractie van de prijs van traditionele systemen.

De spinQICK-software is ontworpen om de complexiteit van deze interacties in realtime te verwerken. Het kan elektrische pulsen met extreme snelheid genereren en kan cruciaal genoeg die pulsen automatisch aanpassen om de ongewenste crosstalk tussen de dots te elimineren. De onderzoekers gebruikten dit systeem om een driehoekige array van drie kwantumdots te manipuleren, een geometrie die meer flexibiliteit biedt dan de rechte lijn-opstellingen die in de meeste eerdere experimenten werden gebruikt. In een driehoek is elke dot verbonden met elke andere dot, wat een breder scala aan bewegingen en een robuistere bescherming tegen fouten mogelijk maakt. Het team liet zien dat hun systeem "coherente controle" kon uitvoeren, wat betekent dat ze de kwantumtoestand van de elektronen konden rondbewegen en terug konden brengen naar een specifiek punt zonder de informatie te verliezen. Ze demonstreerden dit door oscillaties in het systeem te creëren, waarbij ze de elektronen effectief heen en weer lieten zwaaien tussen verschillende toestanden in een voorspelbaar patroon.

Om te testen hoe goed hun systeem werkte, gebruikten de onderzoekers een techniek genaamd dynamische ontkoppeling (dynamical decoupling). Dit is een methode waarbij een reeks snelle pulsen wordt toegepast op de qubit om de effecten van omgevingsruis te elimineren, vergelijkbaar met hoe ruisonderdrukkende koptelefoons geluidsgolven gebruiken om achtergrondgeluid te dempen. Door verschillende reeksen pulsen te gebruiken, konden de onderzoekers twee verschillende soorten ruis onderscheiden die hun apparaat beïnvloeden. Eén type komt van de magnetische velden van de atomen binnen het materiaal, wat een natuurlijke, onvermijdelijke eigenschap van het apparaat is. Het andere type komt van het elektrische controlesysteem zelf, specifelijk van fluctuaties in de spanning die naar de dots wordt gestuurd. De driehoekige vorm van hun apparaat stelde hen in staat een unieke pulssequentie te ontwerpen die de elektrische ruis van de magnetische ruis kon isoleren, een prestatie die niet mogelijk was met de oudere, lineaire ontwerpen.

De resultaten van deze tests gaven een duidelijk beeld van de prestaties van het systeem. Wanneer ze de experimenten uitvoerden, kwam het gedrag van de kwantumbits bijna perfect overeen met de computer simulaties, wat bevestigde dat het spinQICK-platform de instructies met de nodige precisie uitvoerde. De gegevens onthulden echter ook een specifiek probleem: de elektrische signalen dreven in de loop van de tijd weg. Hoewel het systeem goed werkte voor korte perioden, verschoof de spanningsniveaus langzaam over de loop van minuten, waardoor de kwantumtoestand begon te wankelen. De onderzoekers herleidden deze drift naar de versterkers die zij gebruikten om de signalen van de controlechip naar het kwantumapparaat te versterken. Deze versterkers, die standaard off-the-shelf componenten zijn, introduceerden een kleine hoeveelheid hoogfrequente ruis en een trage drift waar het systeem omheen moest werken. Deze bevinding is significant omdat het bewijst dat het controlesysteem gevoelig genoeg is om deze subtiele gebreken in de hardware te detecteren.

Het artikel concludeert dat het spinQICK-platform een levensvatbaar, laag-kosten alternatief is voor het besturen van halfgeleider spin qubits. Het is niet alleen een goedkopere versie van bestaande hulpmiddelen; het is een flexibel systeem dat onderzoekers in staat stelt om aangepaste instructies te programmeren en realtime correcties uit te voeren die voorheen te moeilijk te implementeren waren. Het vermogen om de qubit zelf als diagnostisch instrument te gebruiken om de ruis te meten die afkomstig is van de controle-elektronica is een krachtige nieuwe mogelijkheid. Hoewel het team opmerkte dat de langetermijnstabiliteit van hun huidige opstelling verbetering behoeft, waarschijnlijk door de versterkers te upgraden, legt het werk een duidelijke weg vooruit vast. Door hoogwaardige kwantumcontrole toegankelijk te maken en een manier te bieden om hardwareproblemen te identificeren en op te lossen, helpt dit onderzoek het veld dichter bij het bouwen van praktische, schaalbare kwantumcomputers.