Construire l'avenir quantique : tirer parti des normes modulaires pour la conception de systèmes de contrôle
Dans les systèmes informatiques quantiques, l'électronique de contrôle joue un rôle essentiel pour faciliter le fonctionnement et la manipulation des qubits. Leur précision garantit l'intégrité et l'exactitude du traitement et des résultats de l'informatique quantique. Pour un fonctionnement efficace, les ingénieurs ont besoin d'une latence totale de l'ordre de quelques millisecondes pour leur châssis, y compris les commutateurs et les ports de processeur (CPU). Il existe également un besoin en termes d'horloges précises, de faibles émissions de bruit électronique, d'une synchronisation solide sur plusieurs cartes et d'une évolutivité en fonction du nombre de qubits.
Lorsqu'il s'agit de construire ces systèmes de contrôle informatiques quantiques, il est dans la nature humaine de commencer par ce que l'on connaît. De nombreux ingénieurs finissent toutefois par réinventer la roue, souvent sans tenir compte des plateformes existantes qui pourraient servir de base à une conception solide. Cet article discute des avantages des systèmes à normes ouvertes pour les unités de contrôle de l'informatique quantique.
Les spécialistes de l'informatique quantique en milieu universitaire ont tendance à avoir des connaissances théoriques approfondies et moins d'expérience en matière de mise en œuvre industrielle. Les preuves de concept sont généralement construites avec l'équipement existant en laboratoire et câblées à la main. Bien que cela puisse convenir au prototypage, ce n'est pas idéal pour une mise à l'échelle commerciale. Les spécialistes qui abordent l'informatique quantique avec une expérience acquise à la faveur d'un autre rôle axé sur la physique peuvent comprendre les technologies nuancées de contrôle et de mesure, mais peuvent ne pas être familiarisés avec le spectre plus large des technologies disponibles. Dans les deux cas, de nombreux ingénieurs finissent par réinventer la roue dans la conception de leur système de contrôle informatique quantique, souvent sans se soucier des plateformes existantes qui pourraient servir de base à une conception solide.
Plateformes modulaires pour le contrôle de l'informatique quantique : s'appuyer sur des normes établies
Advanced Telecom Computing Architecture (AdvancedTCA) et Micro Telecommunications Computing Architecture (MicroTCA) sont des normes modulaires et ouvertes qui ont été adaptées pour la recherche et le développement scientifiques à grande échelle. À l'origine, AdvancedTCA et MicroTCA ont été conçus pour transférer de grandes quantités de données dans les applications de télécommunications. Aujourd'hui, les fonctionnalités de MicroTCA ont été retravaillées pour améliorer la synchronisation des cartes et la précision de l'horloge pour le contrôle des faisceaux dans les accélérateurs de particules. La communauté des physiciens a été à l'origine de la mise en œuvre des modules de transition arrière et de la séparation des circuits numériques et analogiques. Les systèmes de tests et mesures (T&M) de précision prêts à l'emploi dotés du PXIe sont également favorables à ces types d'applications dans les laboratoires d'électronique et de simulation en milieu universitaire.
Bien que l'accélération des particules soit un domaine d'application différent, la conception avec des systèmes tels que MicroTCA ou AdvancedTCA offre une voie vers une conception de contrôle évolutive de l'informatique quantique ; il existe déjà des protocoles de transfert standard tels que PCI Express, Ethernet ou Serial RapidIO (SRIO) avec une latence faible et des taux de transfert de données élevés. Le cadre technologique est prédéfini avec des normes standard en matière d'alimentation, de refroidissement et de compatibilité électromagnétique (CEM). De plus, elles sont conformes aux certificats tels que CE et UL, proposent des facteurs de forme de carte standard et offrent une interopérabilité définie. Avec une base bien développée, les ingénieurs peuvent ajuster ou supprimer des fonctionnalités qui ne sont pas requises pour les unités de contrôle de l'informatique quantique.
PXIe propose déjà des modules complémentaires pour les horloges et les déclencheurs initialement conçus pour synchroniser les mesures en parallèle. MicroTCA dispose d'implémentations d'horloge encore plus sophistiquées en raison des exigences existantes en matière de synchronisation des faisceaux de particules. La sélection et la construction sur une plateforme modulaire aux normes ouvertes vous donnent accès à une approche holistique préétablie. Chacune de ces plateformes est axée sur les protocoles, la vitesse des données, la communication entre les slots, la puissance par slot, le nombre de slots, le facteur de forme, etc. La clé consiste à déterminer les différences entre ces plateformes et les modifications nécessaires pour répondre aux besoins spécifiques de vos applications. Un partenaire expérimenté en packaging électronique pourra vous accompagner dans cette évaluation.
| PXI Express | MicroTCA | AdvancedTCA | |
| Transfert de données | - PCI Express Gen3, x4 ou x8 - Bus PCI, 32 bits - CLK et lignes de déclenchement pour les applications T&M | - Interface de base, 10 GbE - Interface Fabric, x4, 100 GbE ou 4x PCIe Gen 4 - CLK et lignes de déclenchement pour les grandes applications scientifiques (MTCA.4) | - Interface de base, 10 GbE - Interface Fabric, x4, 100 GbE ou 4x PCIe Gen 3 - CLK et lignes de déclenchement pour les télécommunications |
| Topologie | 1 Root Complex (complexe racinaire) | 1 Root Complex (complexe racinaire) ou Dual Star (double étoile) | 1 Root Complex (complexe racinaire), Dual Star (double étoile), Dual Dual Star (double étoile redondante), Full Mesh (maillage complet) |
| Zone de carte (hauteur / épaisseur) | 160 cm² (3 U / 160 mm) // 373 cm² (6 U / 160 mm) | 132 cm² (75 mm / 180 mm) // 268 cm² (150 mm / 180 mm) | 902 cm² (8 U / 280 mm) |
| Largeur de carte | 4 F (20,32 mm) | 3 F (15,24 mm), 4 F (20,32 mm), 6 F (30,48 mm) | 6 F (30,48 mm) |
| Nombre max. de cartes | 21 | 12 | 16 |
| Alimentation/carte max. | 80 W | 80 W | 450 W |
Tableau 1 : Comparaison des normes PXIe, MicroTCA et AdvancedTCA pour un système de 19 pouces
Il est courant que les exigences des systèmes de contrôle de l'informatique quantique dépassent celles des systèmes modulaires à normes ouvertes en ce qui concerne la synchronisation de l'horloge et le nombre de périphériques sur un nœud. La réalisation des exigences commence par des actions telles que :
- La suppression des fonctionnalités de redondance intégrées de MicroTCA et AdvancedTCA et l'implémentation de signaux supplémentaires à la place
- L'ajout de sources d'horloge plus précises (PXIe)
- L'augmentation du nombre de cartes au sein d'un système
- L'augmentation de la taille des cartes (hauteur et épaisseur)
- L'augmentation de la largeur des cartes pour accueillir des dissipateurs thermiques plus importants
Nous avons déjà vu les spécifications évoluer pour répondre aux exigences spécifiques des accélérateurs de particules, et nous nous attendons à voir la même chose se produire pour les systèmes de contrôle de l'informatique quantique à l'avenir. Les systèmes à normes ouvertes sont jusqu'à présent une bonne option pour les systèmes de contrôle de l'informatique quantique, car ils constituent une base de conception solide et viable. Plus nous nous éloignons de la norme, plus nous faisons face à des travaux d'ingénierie qui ne concernent pas la fonction principale de l'ordinateur quantique.