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La Universidad de Kaiserslautern acelera el desarrollo de Quantum Computer con una nueva opción de firmware DDS

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Tarjetas AWG de Spectrum Instrumentation utilizadas para posicionar átomos como qubits en una matriz de pinzas ópticas

Hay muchas formas de construir una computadora cuántica (QC) y el enfoque de RPTU Kaiserslautern dentro de la colaboración Rymax One es crear una serie de átomos individuales que actúan como qubits. El desafío es mover y mantener cada átomo en su ubicación precisa. Esto se hace utilizando un láser en cada átomo que lo atrapa en el centro del rayo láser, actuando efectivamente como una pinza óptica. Sin embargo, la programación punto por punto de cada movimiento del haz requiere actualmente de mucha programación y una enorme cantidad de datos. Esto ahora se ha reducido drásticamente con el uso de la nueva opción de firmware Direct Digital Synthesis (DDS) de Spectrum Instrumentation para que la posición de los láseres se pueda controlar con unos pocos comandos simples que definen los parámetros de inicio y parada en lugar de consumir mucho tiempo. , cálculos de grandes conjuntos de datos.

El físico Jonas Witzenrath en el centro experimental cuántico de la Universidad de Kaiserslautern, Alemania.

El físico Jonas Witzenrath en el centro experimental cuántico de la Universidad de Kaiserslautern, Alemania.

El físico diplomado Jonas Witzenrath afirmó: “Esto está marcando una gran diferencia en el progreso de nuestra investigación. Utilizando la nueva opción DDS, hemos podido avanzar rápidamente y reducir la complejidad del sistema, lo que nos permite centrarnos en avanzar en la investigación. El siguiente paso es reordenar los átomos en una matriz estática bidimensional utilizando las capacidades dinámicas del firmware DDS». Además, en la siguiente fase, utilizarán los AWG para dar forma a pulsos de láser UV ideales para controlar con precisión las interacciones. entre qubits.

“DDS se ha convertido en una herramienta vital en nuestro proyecto y estamos descubriendo que en realidad se puede usar en otras cosas en el laboratorio, ya que es muy flexible y se puede usar para otras funciones, por lo que no tenemos que comprar equipos dedicados para ellas. Por ejemplo, láseres pulsados, generación de chirridos, etc. Trabajamos muy estrechamente con Spectrum para desarrollar esta función DDS y ahora estamos trabajando para ampliar sus posibles usos en la investigación para que pueda ayudar a otros laboratorios”.

Añadió que se eligieron las tarjetas Spectrum AWG porque se están convirtiendo en la solución preferida para la investigación cuántica debido a su gran rendimiento analógico combinado con una gran memoria y una alta velocidad de transferencia a la tarjeta. Esto último es crucial ya que el experimento debe detenerse hasta que las formas de onda de reordenamiento se calculen y se carguen en las tarjetas. La velocidad de transferencia distingue a las tarjetas Spectrum AWG de otros productos y esa es la razón principal por la que se utilizan ampliamente en la comunidad AMO/QC. La velocidad de funcionamiento de la tarjeta también era muy importante.

Los AWG rápidos tienen el problema intrínseco de latencias del orden de decenas de milisegundos o una gran fluctuación, lo que resulta en imprecisiones y tiempos de procesamiento más prolongados a medida que el sistema corrige y vuelve a corregir. El firmware DDS permite a los AWG de Spectrum generar comandos en veinte microsegundos y, debido a la sincronización intrínseca, los comandos prácticamente no tienen fluctuaciones.

El deflector acústico-óptico (AOD, flecha roja) divide un rayo láser en muchos haces individuales controlables que atrapan y retienen los átomos.

 En un experimento de ejemplo, la tarjeta AWG M4i.6631-x8 de Spectrum Instrumentation se utiliza para accionar un AOD (deflector acústico-óptico) que genera una pinza para atrapar los átomos. El AOD funciona con una señal de RF con una frecuencia de alrededor de 82 MHz. Con su configuración actual, un cambio de 1 MHz mueve la pinza con un átomo aproximadamente 8 μm en 100 μs, utilizando rampas de frecuencia en forma de S para minimizar el calentamiento. Durante este tiempo, la amplitud de la señal cambia linealmente para compensar los cambios en la intensidad de la luz.

La opción de firmware DDS

DDS es un método para generar ondas sinusoidales periódicas arbitrarias a partir de un único reloj de referencia de frecuencia fija. Es una técnica ampliamente utilizada en una variedad de aplicaciones de generación de señales. La nueva opción de Spectrum Instrumentation permite a los usuarios definir 23 núcleos DDS por tarjeta AWG, que pueden enrutarse a los canales de salida del hardware. Cada núcleo DDS (onda sinusoidal) se puede programar para frecuencia, amplitud, fase, pendiente de frecuencia y pendiente de amplitud. La salida DDS se puede sincronizar con eventos de disparo externos o mediante un temporizador programable con una resolución de 6,4 ns.

En modo DDS, el AWG actúa como generador de la señal DDS multitono. Los 4 GB de memoria incorporados de la unidad y el rápido modo de transferencia DMA permiten la transmisión de comandos DDS a una velocidad de hasta 10 millones de comandos por segundo. Esta capacidad única proporciona la flexibilidad de realizar pendientes definidas por el usuario (por ejemplo, en forma de S), así como varios tipos de modulación (por ejemplo, FM y AM) con comandos DDS simples y fáciles de usar.

Ampliamente utilizado por investigadores cuánticos de todo el mundo: el generador de forma de onda arbitraria M4i.6631-x8 con velocidad de muestreo de 1,25 GS/s, resolución de 16 bits y 2 canales

Ampliamente utilizado por investigadores cuánticos de todo el mundo: el generador de forma de onda arbitraria M4i.6631-x8 con velocidad de muestreo de 1,25 GS/s, resolución de 16 bits y 2 canales

El diseño Rymax One QC

Desde 2021, Spectrum Instrumentation y la Universidad de Kaiserslautern forman parte del programa de financiación del BMBF (Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania) «Tecnologías cuánticas: desde la investigación básica hasta el mercado» como parte del consorcio Rymax One. El objetivo de este consorcio es construir un Quantum Optimizer. Para ello, se suspenden átomos individuales de iterbio en el vacío en estado de Rydberg mediante unas pinzas ópticas.

La colaboración con Rymax se centra específicamente en problemas de optimización cuántica, como el problema del conjunto máximo independiente, y algoritmos como QAOA o recocido cuántico para encontrar soluciones. Esto les permite construir hardware optimizado para la computación cuántica «analógica». Un aspecto clave del diseño es el control dinámico de la luz láser (UV), para lo cual se requiere un control total sobre las diferentes señales de RF. Aquí es donde la larga experiencia de Spectrum Instrumentation resulta valiosa.

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