Fuente: Una interfaz criogénica para controlar muchos cúbits ( arXiv:1912.01299 )
Existen varios tipos de modalidades de cúbits, y una de las más prometedoras es el cúbit superconductor.
El principal desafío de la modalidad de cúbits superconductores radica en su alta sensibilidad al ruido ambiental y su menor vida útil en comparación con otras modalidades. Además, los cúbits superconductores requieren operar a temperaturas criogénicas, lo que exige el uso de sistemas de refrigeración especializados.
El objetivo del sistema criogénico es alcanzar una temperatura cercana al cero absoluto (< 0,1 K), minimizando así la interferencia de la energía térmica. Los cúbits son entidades sensibles, por lo que cuanto menor sea la interferencia, mejor.
Hay varios aspectos a considerar con respecto a la criogenia: primero, tener la QPU ubicada en el refrigerador, mientras que el conjunto de control opera a temperatura ambiente. Esto ya es posible hoy en día con soluciones de Bluefors, pero eso crea el llamado “cuello de botella de cableado” a nivel de interconexión.
Afortunadamente, la industria es muy proactiva a la hora de abordar este desafío, y existen muchas soluciones de cableado de alta densidad disponibles, e incluso integradas con el frigorífico (véase la imagen de la derecha).
Convertidores digitales a analógicos (DAC) criogénicos
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El segundo aspecto consiste en operar la pila de control a una temperatura mucho menor. Lo interesante de operar a bajas temperaturas es que el nivel de ruido debe mantenerse al mínimo para evitar interferencias entre cúbits. Por lo tanto, la tecnología Cryo-CMOS se está consolidando como una tecnología clave para el desarrollo de computadoras cuánticas a gran escala y otras aplicaciones limitadas por el cuello de botella del cableado.
En el diagrama que aparece a continuación, procedente de TU Deflt, las señales analógicas sensibles se indican en azul, mientras que las líneas digitales y de alimentación/polarización, más robustas, se muestran en negro y rojo, respectivamente. El objetivo principal es minimizar las señales en azul.
Uno de los muchos desafíos que presentan los ASIC criogénicos es que el comportamiento físico de la tecnología CMOS a temperaturas criogénicas, incluyendo la disipación de potencia y el presupuesto térmico, debe mantenerse bajo. Por lo tanto, el tercer aspecto consiste en tener un control total del ASIC para que funcione a temperaturas criogénicas.
Por ejemplo, en el diagrama a continuación, el FPGA ahora está ubicado a 4K (-269,15 °C), y sabiendo cuánto se está calentando el FPGA, esto se convierte en un gran desafío en comparación con tener solo el DAC a 4K (¡lo cual en sí mismo también es un gran desafío!).
(Fuente: Electrónica criogénica para la lectura de procesadores cuánticos)
Caso práctico: Google: En el camino hacia el control criogénico de procesadores cuánticos
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Aunque el artículo y el vídeo de Google son bastante antiguos (2019), están llenos de información muy relevante.
El problema con el hardware actual de control y medición de “un solo cúbit”, al escalarlo con la distribución de temperatura (es decir, con lectura a 300 K o ~25 °C), radica en el cuello de botella del cableado. La imagen de la derecha muestra la cantidad de cables necesarios al escalar el sistema a uno de 72 cúbits, junto con una aproximación útil del número de “componentes” por cúbit (donde “componentes” se refiere al DAC, ADC, AWG, etc.).
Las dos diapositivas siguientes muestran la división propuesta por el equipo de Google en lo que respecta al “crioconservación”, que, como era de esperar, encaja con los conceptos previos de trasladar el control a 4K. Lo interesante es que, para Google, el dominio digital se divide en dos partes, que operan tanto en 4K como en 300K.
Al analizar en detalle las partes 4K del control digital, Google ideó un enfoque muy simple pero ingenioso para el AWG (que se muestra a la izquierda). La interconexión con el dominio de control de 300K se materializa en forma de una memoria para almacenar las muestras del AWG.
Lo que me gusta de la propuesta anterior es que la lógica de cálculo, o computación clásica (CC), se mantiene en 300 KB, y la interfaz entre la lógica de cálculo y la generación de señales en tiempo real se implementa mediante memoria. Esta memoria debe ser pequeña, por lo que debe existir un acoplamiento estrecho entre la CC y el AWG. Desafortunadamente, hay poca información pública disponible sobre esta interfaz.
Sin duda, la industria podrá producir ASI criogénicos en un plazo de 5 a 10 años, con un sistema frontal digital completo que incluye reguladores de voltaje, generación de reloj y un núcleo digital reconfigurable que opera a temperaturas criogénicas extremas. Esto ayudará a superar el problema del cableado.
Por otro lado, otras modalidades, como los cúbits direccionables ópticamente, que pueden funcionar a temperatura ambiente, podrían experimentar un avance significativo que los equipare a los cúbits de silicio.
En cualquier caso, cabe suponer que este reto se superará en el plazo de una década.
He aquí que este memorándum del domingo por la mañana no profundizó en ningún tipo de detalle, pero sentó las bases para comprender las razones, los desafíos y las soluciones para operar entidades cuánticas (los cúbits) a temperaturas criogénicas.
Recursos y lecturas adicionales
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Chat GPT con sugerencias inversas sobre la diferencia entre un ordenador y una máquina.
(Indicaciones: ‘¿Puedes dibujar una imagen de dibujos animados de una “computadora cuántica criogénica”?’ vs ‘¿Puedes dibujar una imagen de dibujos animados de una “máquina cuántica criogénica”?’)