Bouwen aan de kwantumtoekomst: met gebruikmaking van modulaire standaarden voor het ontwerp van besturingssystemen

In systemen voor kwantumcomputing is besturingselektronica van cruciaal belang om de werking en manipulatie van qubits mogelijk te maken. De precisie daarvan garandeert de integriteit en nauwkeurigheid van de verwerking en resultaten van kwantumcomputing. Voor een effectieve werking hebben technici volledige latentie van hooguit enkele milliseconden nodig voor hun chassis, inclusief switches en CPU-poorten (central processing unit). Er is ook behoefte aan nauwkeurige klokken, lage elektronische geluidsemissies, sterke synchronisatie over meerdere printplaten en de mogelijkheid om de schaal aan te passen met het aantal qubits.

Als het gaat om de bouw van dergelijke besturingssystemen voor kwantumcomputers, is de mens van nature geneigd om te beginnen met wat hij weet. Veel technici vinden het wiel echter opnieuw uit, vaak zonder op bestaande platforms te vertrouwen die als een solide basis voor het ontwerp zouden kunnen dienen. In dit artikel worden de voordelen besproken van het in overweging nemen van systemen met open standaarden voor besturingseenheden voor kwantumcomputing.

Specialisten op het gebied van kwantumcomputing aan universiteiten beschikken vaak over diepgaande theoretische kennis en hebben minder ervaring met de industriële implementatie. Proofs of concept worden doorgaans met bestaande apparatuur in het laboratorium gebouwd en met de hand bedraad. Hoewel dit geschikt kan zijn voor het maken van prototypen, is het niet ideaal voor de productie op commerciële schaal. Specialisten die zich met kwantumcomputing gaan bezighouden en ervaring in een andere rol hebben waarbij de nadruk op natuurkunde lag, begrijpen dan wel de details van besturings- en meettechnologieën, maar zijn mogelijk niet vertrouwd met het bredere scala aan beschikbare technologieën. In beide gevallen vinden technici vinden het wiel opnieuw uit bij het ontwerpen van het besturingssysteem voor kwantumcomputers, vaak zonder op bestaande platforms te vertrouwen die als een solide basis voor het ontwerp zouden kunnen dienen.

Modulaire platforms voor de besturing van kwantumcomputers: voortbouwend op reeds gevestigde standaarden

Advanced Telecom Computing Architecture (AdvancedTCA) en Micro Telecommunications Computing Architecture (MicroTCA) zijn modulaire, open standaarden die voor grootschalig wetenschappelijk onderzoek en ontwikkeling zijn aangepast. De AdvancedTCA en MicroTCA zijn oorspronkelijk ontworpen voor de overdracht van grote hoeveelheden gegevens in telecommunicatietoepassingen. Vandaag de dag is de functionaliteit van MicroTCA uitgebreid voor een sterkere synchronisatie van printplaten en meer klokprecisie voor bundelbesturing in deeltjesversnellers. Het waren de natuurkundigen die de implementatie van Rear Transition Modules aan de achterzijde en de scheiding van digitale en analoge schakelingen op gang brachten. Gebruiksklare precisietest- en meetsystemen (T&M-systemen) met PXIe zijn eveneens geschikt voor dit soort toepassingen in elektronische laboratoria en simulatielaboratoria in universitaire omgevingen.

Hoewel deeltjesversnelling een ander toepassingsgebied is, biedt ontwerpen met systemen als MicroTCA of AdvancedTCA mogelijkheden voor de schaalbare besturing van kwantumcomputers; er zijn al standaardoverdrachtsprotocollen zoals PCI Express, Ethernet of Serial RapidIO (SRIO) met lage latentie en hoge gegevensoverdrachtssnelheden. Het technologische raamwerk is vooraf gedefinieerd met gemeenschappelijke standaarden voor energie, koeling en elektromagnetische compatibiliteit (EMC). Verder voldoen ze aan certificaten zoals CE en UL, gebruiken ze standaardvormfactoren voor printplaten en bieden ze een gedefinieerde interoperabiliteit. Met een goed ontwikkelde basis kunnen technici functies aanpassen of verwijderen die niet worden benodigd voor besturingseenheden voor kwantumcomputing.

PXIe biedt al add-ons voor klokken en triggers die oorspronkelijk waren ontworpen voor het synchroniseren van metingen in parallel bedrijf. MicroTCA heeft nog hoogwaardigere klokimplementaties vanwege de bestaande vereisten voor de synchronisatie van deeltjesbundels. Als u voor een modulair platform met systemen met open standaarden kiest en hier bouwt, hebt u toegang tot een reeds gevestigde, holistische aanpak. Elk van deze platforms is gericht op protocollen, gegevenssnelheden, communicatie tussen sleuven, stroomverbruik per sleuf, aantal sleuven, vormfactor, enz. Het belangrijkste is het bepalen van de verschillen tussen deze platforms en de wijzigingen die nodig zijn om aan uw unieke toepassingseisen te voldoen. Een ervaren partner in het in het verpakken van elektronica kan u bij die beoordeling ondersteunen.

Tabel 1:
 Vergelijking tussen PXIe, MicroTCA en AdvancedTCA voor een 19"-systeem

Gewoonlijk zijn de eisen aan een besturingssysteem voor kwantumcomputers hoger dan die aan modulaire systemen met open standaarden als het gaat om kloksynchronisatie en het aantal apparaten op één knooppunt. Het voldoen aan eisen begint met acties als:

• Verwijdering van ingebouwde redundantiefuncties van MicroTCA en AdvancedTCA en in plaats daarvan implementatie van aanvullende signalen
• Toevoeging van nauwkeurigere klokbronnen (PXIe)
• Uitbreiding van het aantal printplaten binnen één systeem
• Vergroting van de printplaatafmetingen (hoogte en diepte)
• Vergroten van de printplaatbreedte om plaats te bieden aan grotere warmteafleiders

We hebben al gezien dat specificaties zijn gewijzigd om specifieke eisen aan deeltjesversnellers te ondersteunen en we verwachten dat in de toekomst hetzelfde zal gebeuren voor besturingssystemen voor kwantumcomputers. Op dit moment moeten systemen met open standaarden in overweging worden genomen voor besturingssystemen voor kwantumcomputers, omdat ze dienen als een sterke en rendabele ontwerpbasis. Hoe meer afstand je van de standaard neemt, hoe meer technisch werk er is dat geen verband houdt met de kernfunctie van de kwantumcomputer.

Download whitepaper