Construcción del futuro cuántico: aprovechar los estándares modulares para el diseño del sistema de control

En los sistemas de computación cuánticos, los componentes electrónicos de control son fundamentales para facilitar la operación y manipulación de los qubits. Su precisión garantiza la integridad y exactitud del procesamiento y los resultados de la computación cuántica. Para un funcionamiento eficaz, los ingenieros necesitan una latencia completa en los milisegundos bajos de su chasis, incluidos los conmutadores y los puertos de la unidad de procesamiento central (CPU). También se requieren relojes precisos, bajas emisiones de ruido electrónico, alta sincronización entre múltiples placas y la capacidad de expansión junto con el recuento de qubits.

Cuando se trata de construir estos sistemas de control para la computación cuántica, es natural comenzar con lo que ya se conoce. Sin embargo, muchos ingenieros terminan reinventando la rueda, a menudo sin creer que las plataformas existentes podrían servir como una base de diseño sólida. En este artículo se analizan los méritos de considerar los sistemas abiertos estándar para las unidades de control de computación cuántica.

Los especialistas en informática cuántica en entornos universitarios tienden a tener un profundo conocimiento teórico, pero menos experiencia con la implementación industrial. Las pruebas de concepto generalmente se construyen con equipos existentes en el laboratorio y se cablean a mano. Si bien esto puede ser adecuado para realizar prototipos, no es ideal para el escalamiento comercial. Los especialistas que se acercan a la computación cuántica con experiencia en otro rol enfocado en la física pueden comprender las tecnologías de control y medición matizadas, pero es posible que no estén familiarizados con el amplio espectro de tecnologías disponibles. En cualquier caso, muchos ingenieros terminan reinventando la rueda en el diseño de sus sistemas de control de computación cuántica, a menudo sin tener en cuenta las plataformas existentes que podrían servir como una base de diseño sólida.

Plataformas modulares para el control de computación cuántica: Sobre la base de estándares preestablecidos

La arquitectura avanzada de computación de telecomunicaciones (AdvancedTCA) y la arquitectura de computación de microtelecomunicaciones (MicroTCA) son estándares modulares y abiertos que se han adaptado para la investigación y el desarrollo científicos a gran escala. Originalmente, AdvancedTCA y MicroTCA se diseñaron para transferir grandes cantidades de datos en aplicaciones de telecomunicaciones. Hoy en día, la funcionalidad de MicroTCA se ha ampliado para lograr una mayor sincronización de placas y precisión de reloj para el control del haz en aceleradores de partículas. Fue la comunidad física que instigó la implementación de módulos de transición traseros y la separación de circuitos digitales y analógicos. Los sistemas de medición y prueba de precisión listos para la aplicación (T&M) con PXIe son igualmente favorables para estos tipos de aplicaciones en laboratorios electrónicos y de simulación en entornos universitarios.

Si bien la aceleración de partículas es un área de aplicación diferente, el diseño con sistemas como MicroTCA o AdvancedTCA ofrece una ruta para el diseño de control de computación cuántico escalable; ya existen protocolos de transferencia estándar como PCI Express, Ethernet o Serial RapidIO (SRIO) con baja latencia y altas velocidades de transferencia de datos. El marco tecnológico está predefinido por estándares comunes de ruido de potencia, enfriamiento y compatibilidad electromagnética (EMC). Además, cumplen con certificados como CE y UL, proponen factores de forma de placa estándar y brindan interoperabilidad definida. Con una base bien desarrollada, los ingenieros pueden ajustar o eliminar funciones que no son necesarias para las unidades de control de computación cuántica.

PXIe ya ofrece complementos para relojes y activadores diseñados originalmente para sincronizar mediciones en paralelo. MicroTCA tiene incluso implementaciones de reloj más sofisticadas debido a los requisitos existentes para la sincronización del haz de partículas. Seleccionar y aprovechar una plataforma modular y de estándar abierto le da acceso a un enfoque holístico preestablecido. Cada una de estas plataformas se centra en protocolos, velocidades de datos, comunicación entre ranuras, alimentación por ranura, conteo de ranuras, factor de forma, etc. La clave es determinar las diferencias entre estas plataformas y las modificaciones necesarias para adaptarse a sus requisitos de aplicación únicos. Un socio de embalaje electrónico con experiencia podrá apoyarlo en esa evaluación.

Tabla 1: Comparación entre PXIe, MicroTCA y AdvancedTCA para un sistema de 19 pulg.

Es común que los requisitos del sistema de control de la computación cuántica superen a los de los sistemas modulares de estándar abierto en cuanto a la sincronización de relojes y el número de dispositivos en un nodo. El logro de los requisitos comienza con acciones como:

• Eliminar las funciones de redundancia incorporadas de MicroTCA y AdvancedTCA e implementar señales adicionales en su lugar
• Adición de fuentes de reloj más precisas (PXIe)
• Extensión de la cantidad de placas dentro de un sistema
• Aumento del tamaño del tablero (altura y profundidad)
• Aumento del ancho de la placa para acomodar disipadores de calor más grandes

Ya hemos visto cambios en las especificaciones para adaptarse a los requisitos específicos de los aceleradores de partículas, y esperamos ver lo mismo que ocurra en los sistemas de control de computación cuántica en el futuro. Por ahora, los sistemas abiertos estándar deben ser parte del conjunto de consideraciones para los sistemas de control cuántico de computación, ya que sirven como una base de diseño fuerte y viable. Cuanto más nos alejamos del estándar, hay más trabajo de ingeniería que no se relaciona con la función principal de la computadora cuántica.

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