Investigadores de la Condición de prueba cuántica extendida (AQT) en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab). El taller híbrido de un día titulado “Sistemas de control clásicos para computadoras cuánticas‘, dirigido por Kasra Nowrouzi, Anastasiia Butko y Gang Huang, reunió a otros 12 investigadores cuánticos y líderes de la industria de los principales programas de investigación y desarrollo de todo el mundo. El taller fue una oportunidad única para el creciente número de partes interesadas en un campo en rápida evolución para compartir los últimos avances en control experimental a través de diferentes tecnologías.

Investigadores de la Condición de prueba cuántica extendida (AQT) en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab). El taller híbrido de un día titulado “Sistemas de control clásicos para computadoras cuánticas‘, dirigido por Kasra Nowrouzi, Anastasiia Butko y Gang Huang, reunió a otros 12 investigadores cuánticos y líderes de la industria de los principales programas de investigación y desarrollo de todo el mundo. El taller fue una oportunidad única para el creciente número de partes interesadas en un campo en rápida evolución para compartir los últimos avances en control experimental a través de diferentes tecnologías.

Financiado por el Programa de Investigación de Computación Científica Avanzada (ASCR) de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. desde 2018, AQT en Berkeley Lab es un laboratorio de investigación colaborativo de última generación dedicado al avance de la computación cuántica. Tercera convocatoria abierta anual de usuarios para sugerencias de usuarios se está ejecutando actualmente.

Los investigadores cuánticos están ampliando los límites del hardware ruidoso de escala intermedia cuántica (NISQ) de varias maneras. Construyen nuevos qubits que son resistentes al ruido y la decoherencia, desarrollan herramientas de mitigación de ruido basadas en software y hardware, y fabrican nuevos procesadores cuánticos de tamaño y complejidad crecientes. Además, los expertos en algoritmos cuánticos e híbridos cuánticos-clásicos plantean exigencias cada vez más complejas a los sistemas de control. Como resultado, los sistemas electrónicos de control clásicos que pueden aprovechar y optimizar la potencia de las computadoras cuánticas requieren capacidades de control y lectura más avanzadas. Sin embargo, la manipulación precisa de un número cada vez mayor de qubits mientras se mitigan el ruido y los errores de diafonía a menudo depende del tipo de arquitectura, lo que dificulta que los grupos de investigación equilibren la asequibilidad, la flexibilidad y la eficiencia de todo el sistema.

Kasra Nowrouzi, directora de hardware de AQT, reconoció los beneficios y desafíos inherentes de un panorama de control tan diverso dada la sofisticación actual del campo.

“Hay diferentes formas de desarrollar controladores clásicos para sistemas de información cuántica, incluidas soluciones disponibles comercialmente, controladores integrados patentados y sistemas de código abierto. Si bien estas soluciones han permitido avances experimentales en todo el mundo, incluso en AQT, no existen soluciones de control integrales perfectas que satisfagan todas las necesidades experimentales. Después de muchos años de desarrollos paralelos o divergentes, sentimos que era hora de que la comunidad se uniera y planificara juntos el camino a seguir”, dijo Nowrouzi.

Durante el taller, varios oradores de la industria, la academia y laboratorios nacionales discutieron por qué es importante comprender mejor los requisitos de control en tiempo real a medida que aumentan los requisitos del sistema y la escala para nuevos circuitos cuánticos. Por ejemplo, la brecha entre los controles electrónicos existentes, incluidos los controles criogénicos para el hardware cuántico superconductor, y los necesarios para los futuros procesadores cuánticos tolerantes a fallas y de uso general con corrección de errores aún es grande.

“El control cuántico requiere la orquestación cuidadosa de las computadoras y la electrónica clásicas en múltiples rangos de temperatura. IEEE Quantum Week es un lugar ideal para talleres y tutoriales sobre esta área transversal, que abarca múltiples disciplinas de ingeniería y física. Estamos entusiasmados de reunir a la industria, la academia y los laboratorios gubernamentales para fomentar la colaboración y nuevas direcciones en investigación y desarrollo en esta pieza crítica de infraestructura cuántica”, dijo Greg Byrd, profesor de la Universidad Estatal de Carolina del Norte y presidente general de IEEE Quantum Week. 2022 .

Las audiencias en vivo y virtuales durante las preguntas y respuestas plantearon varias preguntas sobre la mejor manera de gestionar la superposición de esfuerzos. Por ejemplo, algunos participantes preguntaron sobre la interacción entre la nueva generación de controladores patentados y comerciales que se están desarrollando en la industria para respaldar la creciente complejidad de los procesadores cuánticos, y si estos están siendo entregados por grupos de investigación más pequeños y ágiles en la academia y los laboratorios nacionales. Al mismo tiempo, otros cuestionaron el valor de las amplias exploraciones conceptuales basadas en plataformas de hardware y software flexibles, modulares y de código abierto en el ecosistema financiado con fondos públicos actualmente disponible para un amplio conjunto de usuarios y cómo se pueden escalar para posibles aplicaciones comerciales. uso o experimentos más sofisticados.

La colaboración entre los programas públicos de investigación y la industria para hacer que la solución de control sea flexible fue común durante todo el taller. Muchos oradores también señalaron que los esfuerzos de código abierto son uno de los enfoques más útiles para probar soluciones de control mientras se educa a los futuros investigadores en ciencia y tecnología de la información cuántica.

“Nos complace que el taller organizado por Berkeley Lab en IEEE Quantum Week 2022 haya tenido un elenco impresionante y haya sido uno de los más concurridos. Reunir a diseñadores de controladores y usuarios científicos de muchas empresas y laboratorios de investigación para analizar las necesidades científicas, los desafíos tecnológicos y las oportunidades para el futuro fue un gran éxito. Esperamos ver que esta línea de discusión se amplíe en los próximos años”, dijo Hausi Mueller, copresidente de IEEE Future Directions Quantum Initiative y presidente del comité directivo de IEEE Quantum Week.

AQT ha formado un equipo multidisciplinar centrado en el diseño, la fabricación y las operaciones de procesadores cuánticos superconductores. Para el desarrollo del full control stack, AQT trabaja con empresas como: Instrumentos de Zúrich, para soluciones de control comercial que consisten en electrónica clásica, firmware y software para permitir la ejecución de algoritmos cuánticos. Paralelamente, AQT tiene su propia y fuente abierta sistema de medida y control electrónico modular —QubiC — para procesadores cuánticos superconductores a fin de hacer más accesibles las soluciones técnicas para el nuevo hardware. QubiC fue marcado como digno de mención varias veces en la literatura científica al mismo tiempo que recibió una nominación como finalista en los premios R&D 100 de 2022. AQT también colabora con el QICK (Quantum Instrumentation Control Kit) de código abierto de Fermilab y ha contribuido a su desarrollo como un proyecto de usuario de AQT.

“En AQT, reconocemos que la modularidad arquitectónica allana el camino para la exploración y la extensibilidad, por lo que mantener los controles electrónicos ágiles y adaptables es fundamental. No existe una opción clara para la solución de control perfecta para el futuro cercano; Dichos debates entre las partes interesadas allanarán el camino para la convergencia a largo plazo”, dijo Nowrouzi.

Desde 2020, Berkeley Lab ha operado un banco de pruebas de libre acceso diseñado para experimentos con usuarios externos de la academia, laboratorios nacionales e industria, poniendo a disposición de todos los usuarios estas diversas herramientas de control electrónico. A su vez, los comentarios de los usuarios han mejorado la comprensión de AQT del panorama de control cambiante, lo que coloca a AQT en una posición única para avanzar en los esfuerzos exploratorios fundamentales relevantes para la misión científica del DOE con la investigación y el desarrollo de vanguardia realizados por el laboratorio que se pueden transferir a la industria. El banco de pruebas ya ha apoyado varios proyectos de investigación científica, laboratorios nacionalesy Industria Ejecución de algoritmos para computación científica, evaluación comparativa de la generación actual de hardware cuántico ruidoso de rango medio y co-diseño de arquitecturas y algoritmos de próxima generación.

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El Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley se fundó en 1931 con la creencia de que los mayores desafíos científicos se abordan mejor en equipo, y sus científicos han recibido 16 premios Nobel. En la actualidad, los investigadores del Berkeley Lab desarrollan energía sostenible y soluciones medioambientales, crean nuevos materiales útiles, amplían las fronteras de la informática y exploran los misterios de la vida, la materia y el universo. Científicos de todo el mundo confían en las instalaciones del laboratorio para su propia ciencia de descubrimiento. Berkeley Lab es un laboratorio multiprograma nacional administrado por la Universidad de California para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de los Estados Unidos.

La Oficina de Ciencias del DOE es el financiador individual más grande de investigación científica básica en los Estados Unidos y trabaja para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para mayor información por favor visite energía.gov/ciencia.


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