Quelle: Eine kryogene Schnittstelle zur Steuerung vieler Qubits ( arXiv:1912.01299 )
Es gibt verschiedene Arten von Qubits, und eine der vielversprechendsten ist das supraleitende Qubit.
Die Herausforderung bei supraleitenden Qubits besteht darin, dass sie sehr empfindlich gegenüber Umgebungsstörungen sind und eine kürzere Lebensdauer als andere Technologien aufweisen. Zudem erfordern supraleitende Qubits den Betrieb bei kryogenen Temperaturen, was den Einsatz spezieller Kühlsysteme notwendig macht.
Ziel des Kryosystems ist es, Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (< 0,1 K) zu erreichen, um so Störungen durch thermische Energie zu minimieren. Da Qubits sehr empfindliche Einheiten sind, ist eine möglichst geringe Störung von Vorteil.
Bei der Kryotechnik sind mehrere Aspekte zu berücksichtigen: Erstens die Platzierung der QPU im Kühlschrank, während der Steuerungsstack bei Raumtemperatur arbeitet. Dies ist bereits heute mit Lösungen von Bluefors möglich – führt aber zu einem sogenannten „Verkabelungsengpass“ auf Verbindungsebene.
Zum Glück ist die Branche sehr proaktiv bei der Bewältigung dieser Herausforderung, und es sind viele hochdichte Verkabelungslösungen verfügbar, die sogar in den Kühlschrank integriert sind (siehe Abbildung rechts).
Der zweite Aspekt besteht darin, den Steuerungsstapel bei deutlich niedrigeren Temperaturen zu betreiben. Der interessante Aspekt des Betriebs bei niedrigeren Temperaturen liegt darin, dass der Rauschpegel minimiert werden muss, um Qubit-Interferenzen zu vermeiden. Daher entwickelt sich Cryo-CMOS zu einer Schlüsseltechnologie für großskalige Quantencomputer und andere Anwendungen, die durch die Verdrahtungsbeschränkungen limitiert sind.
Im untenstehenden Diagramm von TU Deflt sind empfindliche analoge Signale blau, die robusteren digitalen und Versorgungs-/Vorspannungsleitungen hingegen schwarz bzw. rot dargestellt. Hauptziel ist die Minimierung der blauen Signale.
Eine der vielen Herausforderungen bei Kryo-ASICs besteht darin, das physikalische Verhalten der CMOS-Technologie bei kryogenen Temperaturen, einschließlich Verlustleistung und Wärmebudget, gering zu halten. Daher ist der dritte Aspekt die vollständige Kontrolle über den Betrieb des ASICs bei kryogenen Temperaturen.
Im folgenden Diagramm befindet sich beispielsweise das FPGA bei 4K (-269,15 °C), und da man weiß, wie stark sich das FPGA erwärmt, stellt dies eine große Herausforderung dar im Vergleich dazu, nur den DAC bei 4K zu haben (was an sich schon eine große Herausforderung ist!).
(Quelle: Kryogene Elektronik für das Auslesen von Quantenprozessoren)
Fallstudie: Google: Auf dem Weg zur kryogenen Steuerung von Quantenprozessoren
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Obwohl der Artikel und das Video von Google schon recht alt sind (2019), enthalten sie viele sehr relevante Informationen.
Das Problem der aktuellen Hardware zur Steuerung und Messung von Einzel-Qubits ist bei Skalierung mit der Temperaturstufenverteilung (d. h. mit Auslesung bei 300 K bzw. ~25 °C) der Verkabelungsengpass. Die Abbildung rechts zeigt die benötigte Kabelanzahl für ein 72-Qubit-System sowie eine Näherung für die Anzahl der Komponenten pro Qubit (DAC, ADC, AWG usw.).
Die beiden folgenden Folien zeigen die vom Google-Team vorgeschlagene Aufteilung des „Cryo-Staging“-Bereichs, was erwartungsgemäß zu den vorherigen Konzepten der Umstellung der Steuerung auf 4K passt. Interessant ist dabei, dass der digitale Bereich bei Google in zwei Teile aufgeteilt ist, die sowohl in 4K als auch in 300K arbeiten.
Bei der detaillierten Analyse der 4K-Komponenten der digitalen Steuerung entwickelte Google einen sehr einfachen, aber cleveren Ansatz für den AWG (siehe Abbildung links). Die Verbindung zum 300K-Steuerungsbereich wird durch einen Speicher zur Speicherung der AWG-Abtastwerte realisiert.
Was mir an dem obigen Vorschlag gefällt, ist, dass die Berechnungslogik bzw. die klassische Berechnung (CC) bei 300 KB bleibt und die Schnittstelle zwischen der Berechnungslogik und der Echtzeit-Signalgenerierung über einen Speicher realisiert wird. Dieser Speicher muss klein sein, weshalb eine enge Kopplung zwischen CC und AWG erforderlich ist. Leider sind nur wenige öffentliche Informationen zu dieser Schnittstelle verfügbar.
Die Industrie wird zweifellos innerhalb von 5 bis 10 Jahren kryogene ASIs herstellen können, mit einem vollständig digitalen Frontend, bestehend aus Spannungsreglern, Takterzeugung und einem rekonfigurierbaren digitalen Kern, der bei extrem niedrigen Temperaturen arbeitet. Dies wird dazu beitragen, den „Verkabelungsengpass“ zu überwinden.
Andererseits könnten andere Modalitäten, wie zum Beispiel optisch adressierbare Qubits, die bei Raumtemperatur betrieben werden können, einen Durchbruch erleben, der sie mit Silizium-Qubits gleichstellt.
So oder so kann man davon ausgehen, dass diese Herausforderung innerhalb eines Jahrzehnts bewältigt sein wird.
Voilà, dieses Memo vom Sonntagmorgen ging nicht auf irgendwelche Details ein, sondern legte den Grundstein für das Verständnis der Gründe, Herausforderungen und Lösungen für den Betrieb von Quantenobjekten (den Qubits) bei kryogenen Temperaturen.
Ressourcen und weiterführende Literatur
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Chat GPT umgekehrte Aufforderung zum Unterschied zwischen einem Computer und einer Maschine.
(Aufforderungen: „Kannst du eine Cartoon-Zeichnung eines „kryogenen Quantencomputers“ anfertigen?“ vs. „Kannst du eine Cartoon-Zeichnung einer „kryogenen Quantenmaschine“ anfertigen?“)