在设计下一代量子计算机时，一个令人惊讶的大问题是弥合经典世界和量子世界之间的通信鸿沟。这种计算机需要专门的控制和读出电子设备来在人类操作员和量子计算机的语言之间来回转换，但现有系统的既麻烦又昂贵。

然而，由美国能源部费米国家加速器实验室的工程师开发的一种新的控制和读出电子系统，称为量子仪器控制套件或 QICK，已被证明可以显著提高量子计算机性能，同时降低控制设备的成本。

“量子仪器控制套件的开发是美国投资联合量子技术研究的一个很好的例子，通过与工业界，学术界和政府之间建立合作伙伴关系，以加速竞争前的量子研发技术，”美国能源部科学项目副主任Harriet Kung说。

由高级首席工程师 Gustavo Cancelo 领导的费米实验室工程师团队与芝加哥大学合作开发了更快、更具成本效益的控制系统，其目标是创建和测试基于现场可编程门阵列 (FPGA) 的控制器量子计算实验。芝加哥大学的物理学家 David Schuster 领导了该大学的实验室，该实验室帮助进行了实际硬件的规范和验证。

Schuster说：“这正是结合了国家实验室和大学优势的项目类型，显然需要一个开源控制硬件生态系统，并且它正在被量子社区迅速采用。”

设计量子计算机的工程师面临着弥合量子计算机和经典计算机这两个看似不兼容的世界的挑战。量子计算机基于支配微观世界的量子力学的违反直觉的概率规则，这使它们能够执行普通计算机无法执行的计算。因为人们生活在经典物理学占主导地位的宏观可见世界中，所以控制和读出电子设备充当了连接这两个世界的解释器。

控制电子设备使用来自经典世界的信号作为计算机量子位或量子位的指令，而读出电子设备测量量子位的状态并将该信息传递回经典世界。

一种有前途的量子计算机技术使用超导电路作为量子比特。目前，大多数用于超导量子计算机的控制和读出系统都使用非专门用于该任务的现成商业设备。因此，研究人员通常必须将十几个或更多昂贵的组件串在一起。每个量子比特的成本很快就会高达数万美元，而且这些系统的庞大规模会带来更多问题。

尽管最近取得了技术进步，但量子比特的寿命仍然相对较短，通常只有几分之一毫秒，之后它们就会产生错误。“当你使用量子比特时，时间至关重要。经典电子设备需要时间来响应量子比特，从而限制了计算机的性能，”Cancelo 说。

正如口译员的效率取决于快速沟通一样，控制和读出系统的效率取决于其周转时间。由许多模块组成的大型系统意味着较长的周转时间。

为了解决这个问题，坎塞洛和他在费米实验室的团队设计了一个紧凑的控制和读出系统。该团队将整个设备机架的功能整合到一个比笔记本电脑稍大的电子板上。新系统是专门的，但它的通用性足以与许多超导量子位设计兼容。

“我们正在为各种各样的量子比特设计一种通用仪器，希望能够覆盖那些将在六个月或一年后设计的仪器，”坎塞洛说。“通过我们的控制和读出电子设备，您可以实现商业设备难以或不可能实现的功能和性能。”

量子比特的控制和读出依赖于微波脉冲——频率类似于携带手机通话和加热微波晚餐的信号的无线电波。费米实验室团队的射频(RF) 板包含 200 多个元素：用于调整频率的混频器；过滤器以去除不需要的频率；用于调整信号幅度的放大器和衰减器；并切换以打开和关闭信号。该板还包含一个低频控制来调整某些量子比特参数。与作为计算机“大脑”的商用现场可编程门阵列或 FPGA 板一起，RF 板为科学家提供了与量子世界成功通信所需的一切。

这两种紧凑型电路板的生产成本比传统系统低约 10 倍。在最简单的配置中，它们可以控制八个量子位。将所有射频组件集成到一块电路板上，可以实现更快、更精确的操作以及实时反馈和纠错。

“你需要注入非常快和非常短的信号，”费米实验室工程师Leandro Stefanazzi说。“如果你不能非常精确地控制这些信号的频率和持续时间，那么你的量子比特就不会按照你想要的方式运行。”

设计RF板和布局大约需要六个月的时间，并带来了巨大的挑战：相邻的电路元件必须精确匹配，以便信号能够顺利传输而不会相互反弹和干扰。此外，工程师必须小心避免会从手机和 WiFi 等来源接收杂散无线电波的布局。在此过程中，他们进行了模拟，以验证他们是否走在正确的轨道上。

该设计现已准备好进行制造和组装，目标是在今年夏天拥有可工作的RF板。

在整个过程中，费米实验室的工程师们在芝加哥大学测试了他们的想法。新的RF板非常适合像Schuster这样的研究人员，他们寻求使用各种量子计算机架构和设备在量子计算方面取得根本性的进步。

“我经常开玩笑说，这一块板可能会取代我实验室中几乎所有的测试设备，”Schuster说。“与能够使电子产品在该水平上工作的人合作对我们来说是非常有益的。”

新系统易于扩展。频率复用量子比特控制，类似于通过同一条电缆发送多个电话对话，将允许单个RF板控制多达 80 个量子比特。由于它们的体积小，几十块板可以连接在一起并同步到同一个时钟，作为大型量子计算机的一部分。Cancelo 和他的同事在最近发表在AIP Review of Scientific Instruments上的一篇论文中描述了他们的新系统。

Fermilab 工程团队利用了新的商用 FPGA 芯片，这是第一个将数模和模数转换器直接集成到电路板中的芯片。它大大加快了在 FPGA 和 RF 板之间创建接口的过程，如果没有它，这将花费数月的时间。为了改进其控制和读出系统的未来版本，该团队已开始设计自己的 FPGA 硬件。

QICK 的开发得到了 QuantISED、量子科学中心 (QSC) 以及后来由费米实验室托管的超导量子材料和系统中心 (SQMS) 的支持。QICK 电子设备对于 SQMS 的研究非常重要，科学家们正在开发具有长寿命的超导量子比特。

硬件的低成本版本现在仅供大学用于教育目的。“由于其低成本，它允许较小的机构拥有强大的量子控制，而无需花费数十万美元，”Cancelo说。

“从科学的角度来看，我们正在研究这十年来物理学中最热门的话题之一，这是一个机会，”他补充说。“从工程的角度来看，我喜欢的是电子工程的许多领域需要结合起来才能成功执行这个项目。”

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