Verso il futuro della computazione quantistica: utilizzo di standard modulari per la progettazione di sistemi di controllo
Nei sistemi di computazione quantistica, l'elettronica di controllo è fondamentale per facilitare il funzionamento e la manipolazione dei qubit. La loro precisione garantisce l'integrità e l'accuratezza della computazione quantistica e dei relativi risultati. Per un funzionamento efficace, i progettisti hanno bisogno di una latenza completa in millisecondi per i telai, tra cui interruttori e porte CPU (Central Processing Unit). Inoltre, è necessario avere clock precisi, basse emissioni di rumore elettronico, una forte sincronizzazione tra più schede e la capacità di scalare insieme al conteggio dei qubit.
Quando si tratta di realizzare questi sistemi di controllo basati sulla computazione quantistica, è naturale iniziare con ciò che si conosce. Tuttavia, molti ingegneri finiscono per reinventare la ruota, spesso senza alcuna garanzia per le piattaforme esistenti che potrebbero fungere da solida base di progettazione. In questo articolo vengono illustrati i vantaggi di considerare sistemi open standard per le unità di controllo basati sulla computazione quantistica.
Gli specialisti della computazione quantistica in strutture universitarie tendono a disporre di una profonda conoscenza teorica e di una minore esperienza nell'implementazione industriale. Le prove di concetto vengono in genere realizzate con le apparecchiature esistenti del laboratorio e cablate a mano. Sebbene possa essere adatto per realizzare prototipi, questo sistema non è ideale per la scalabilità commerciale. Gli specialisti che si avvicinano alla computazione quantistica con l'esperienza di un altro ruolo incentrato sulla fisica possono comprendere tecnologie di controllo e misurazione diverse, ma potrebbero non essere esperti nell'ampio spettro di tecnologie disponibili. Tuttavia, molti ingegneri finiscono per reinventare la ruota, quando si tratta di progettare sistemi di controllo basati sulla computazione quantistica, spesso senza alcuna garanzia per le piattaforme esistenti che potrebbero fungere da solida base di progettazione.
Piattaforme modulari per i sistemi di controllo di computazione quantistica: Basate su standard prestabiliti
Advanced Telecom Computing Architecture (AdvancedTCA) e Micro Telecommunications Computing Architecture (MicroTCA) sono standard aperti modulari che sono stati adattati per la ricerca e lo sviluppo scientifici su larga scala. In origine, AdvancedTCA e MicroTCA sono stati progettati per il trasferimento di grandi quantità di dati in applicazioni di telecomunicazioni. Oggi, la funzionalità di MicroTCA si è ampliata per garantire una sincronizzazione più efficace della scheda e una precisione di clock per il controllo del fascio di raggi negli acceleratori di particelle. È stata la comunità fisica ad avviare l'implementazione dei moduli di transizione posteriori e la separazione dei circuiti digitali e analogici. I sistemi di misurazione e test di precisione pronti per l'applicazione (T&M) dotati di PXIe sono ugualmente vantaggiosi per questi tipi di applicazioni nei laboratori elettronici e di simulazione in ambienti universitari.
Sebbene l'accelerazione delle particelle sia un'area di applicazione diversa, la progettazione con sistemi come MicroTCA o AdvancedTCA offre un percorso per il controllo scalabile della computazione quantistica; esistono già protocolli di trasferimento standard come PCI Express, Ethernet o Serial RapidIO (SRIO) con bassa latenza ed elevate velocità di trasferimento dei dati. Il framework tecnologico è predefinito con standard comuni per l'alimentazione, il raffreddamento e il rumore di compatibilità elettromagnetica (EMC). Inoltre,i sistemi sono conformi a certificati come CE e UL, hanno definito i fattori di forma della scheda standard e forniscono un'interoperabilità definita. Grazie a una base ben sviluppata, gli ingegneri possono regolare o rimuovere le funzioni che non sono necessarie per le unità di controllo basate sulla computazione quantistica.
PXIe offre già componenti aggiuntivi per clock e trigger originariamente progettati per la sincronizzazione delle misurazioni in parallelo. MicroTCA ha implementato opzioni di clock ancora più sofisticate, grazie ai requisiti esistenti per la sincronizzazione del fascio di particelle. La scelta e l'utilizzo di una piattaforma modulare a standard aperto assicurano un approccio olistico e preconsolidato. Ciascuna di queste piattaforme è incentrata su protocolli, velocità dei dati, comunicazione tra slot, potenza per slot, numero di slot, fattore di forma e così via. Il punto fondamentale consiste nel determinare le differenze tra queste piattaforme e le modifiche necessarie per soddisfare i requisiti specifici delle vostre applicazioni. Un partner esperto di imballaggi elettronici sarà in grado di supportarvi in tale valutazione.
| PXI Express | MicroTCA | AdvancedTCA | |
| Trasferimento dati | - PCI Express Gen3, x4 o x8 - Bus PCI, 32 bit - CLK e linee di attivazione per applicazioni T&M | - Interfaccia di base, 10 GbE, - Interfaccia Fabric, x4, 100 GbE o 4x PCIe Gen 4 - CLK e linee di attivazione per applicazioni scientifiche di grandi dimensioni (MTCA.4) | - Interfaccia di base, 10 GbE, - Interfaccia Fabric, x4, 100 GbE o 4x PCIe Gen 3 - CLK e linee di attivazione per le telecomunicazioni |
| Topologia | 1 complesso di base | 1 complesso di base o Dual-Star | 1 complesso di base, Dual-Star, Dual-Dual-Star, Full-Mesh |
| Area scheda (altezza/profondità) | 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) |
| Larghezza scheda | 4 HP (20,32 mm) | 3 HP (15,24 mm), 4 HP (20,32 mm), 6 HP (30,48 mm) | 6 HP (30,48 mm) |
| Numero max. di schede | 21 | 12 | 16 |
| Alimentazione max/scheda | 80 W | 80 W | 450 W |
Tabella 1: Confronto tra PXIe, MicroTCA e AdvancedTCA per un sistema da 48,26 cm
È comune che i requisiti dei sistemi di controllo basati sulla computazione quantistica superino quelli dei sistemi modulari open standard quando si tratta di sincronizzazione di clock e del numero di dispositivi su un nodo. Il raggiungimento dei requisiti inizia con diverse azioni:
- Rimozione delle funzioni di ridondanza integrate di MicroTCA e AdvancedTCA e implementazione di segnali aggiuntivi
- Aggiunta di sorgenti di clock più precise (PXIe)
- Estensione del numero di schede all'interno di un sistema
- Aumento delle dimensioni della scheda (altezza e profondità)
- Aumento della larghezza della scheda per accogliere dissipatori di calore più grandi
Abbiamo già assistito a una modifica delle specifiche volta supportare requisiti specifici degli acceleratori di particelle e prevediamo che lo stesso avvenga in futuro per i sistemi di controllo basati sulla computazione quantistica. Per il momento, i sistemi a standard aperti dovrebbero essere presi in considerazione per i sistemi di controllo basati sulla computazione quantistica, perché rappresentano una base di progettazione solida e sostenibile. Più ci si allontana dallo standard, più lavoro di progettazione è legato alla funzione principale della computazione quantistica.