Bygge kvantefremtiden: Dra nytte av modulære standarder for kontrollsystemdesign
I kvanteberegningssystemer er kontrollelektronikk avgjørende for å forenkle drift og manipulering av qubits. Presisjonen sikrer integriteten og nøyaktigheten til kvanteberegning og -resultater. For effektiv drift trenger teknikere fullstendig ventetid i et lavt antall millisekunder for kabinettet, inkludert svitsjer og CPU-porter (Central Processing Unit). Det er også behov for presise klokker, lavt elektronisk støynivå, kraftig synkronisering på tvers av flere kretskort og kapasitet til å skalere sammen med antall qubits.
Når det gjelder bygging av disse kontrollsystemene for kvanteberegning, er det menneskelig å begynne med det man vet. Mange ingeniører ender imidlertid opp med å finne opp hjulet på nytt, ofte uten tiltro til eksisterende plattformer som kan fungere som et sterkt designfundament. Denne artikkelen omhandler fordelene ved å vurdere åpne standardsystemer for kontrollenheter for kvanteberegning.
Kvanteberegningsspesialister i universitetsmiljøer har en tendens til å ha dyp teoretisk kunnskap og mindre erfaring med industriell implementering. Konseptutprøving blir vanligvis bygget med eksisterende utstyr i laboratoriet og med håndkablinger. Selv om dette kan være egnet for prototypefremstilling, er det ikke ideelt for kommersiell skalering. Spesialister som nærmer seg kvanteberegning med erfaring fra en annen fysikkfokusert rolle, kan forstå nyansert kontroll- og måleteknologi, men er kanskje ikke godt kjent med det bredere spekteret av tilgjengelige teknologier. I begge tilfeller ender mange ingeniører opp med å finne opp hjulet på nytt i sitt kvanteberegnende kontrollsystemdesign, ofte uten tiltro til eksisterende plattformer som kan fungere som et sterkt designgrunnlag.
Modulære plattformer for kontroll av kvanteberegning: Bygger på forhåndsetablerte standarder
Advanced Telecom Computing Architecture (AdvancedTCA) og Micro Telecommunications Computing Architecture (MicroTCA) er modulære, åpne standarder som er tilpasset vitenskapelig forskning og utvikling i stor skala. AdvancedTCA og MicroTCA ble opprinnelig utviklet for overføring av store mengder data i telekommunikasjonsapplikasjoner. I dag har funksjonaliteten til MicroTCA blitt utvidet for sterkere synkronisering av kretskort og klokkepresisjon for strålekontroll i partikkelakseleratorer. Det var fysikkmiljøet som startet implementeringen av RTM-er og separeringen av digitale og analoge kretssystemer. Applikasjonsklare test- og målesystemer med presisjon (T&M) og PXIe er også gunstig for disse bruksområdene i elektronikk- og simuleringslaboratorier i universitetsmiljøer.
Partikkelakselerasjon er et annet bruksområde, mens design med systemer som MicroTCA eller AdvancedTCA tilbyr en bane for design av kvanteberegningskontroll. Det finnes allerede standard overføringsprotokoller, som PCI Express, Ethernet eller Serial RapidIO (SRIO), med lav ventetid og høy dataoverføringshastighet. Teknologirammeverket er forhåndsdefinert med vanlige standarder for strøm, kjøling og elektromagnetisk kompatibilitet (EMC). Videre overholder de sertifikater som CE og UL, fremsetter formfaktorer for standard kretskort og formidler definert interoperabilitet. Med et godt utviklet fundament kan teknikere justere eller fjerne funksjoner som ikke er nødvendige for kontrollenheter for kvanteberegning.
PXIe tilbyr allerede tillegg for klokker og utløsere som opprinnelig ble designet for synkronisering av målinger parallelt. MicroTCA har enda mer avanserte klokkeimplementeringer på grunn av eksisterende krav til partikkelstrålesynkronisering. Hvis du velger og bygger på en modulær plattform med åpen standard, får du tilgang til en forhåndsetablert, holistisk tilnærming. Hver av disse plattformene fokuserer på protokoller, datahastigheter, kommunikasjon mellom spor, strøm per spor, antall spor, formfaktor osv. Nøkkelen er å fastslå forskjellene mellom disse plattformene og endringene som er nødvendige for å oppfylle dine unike krav til bruk. En erfaren leverandør av elektronikkemballasje vil kunne støtte deg i denne vurderingen.
| PXI Express | MicroTCA | AdvancedTCA | |
| Dataoverføring | – PCI Express Gen3, x4 eller x8 – PCI-buss, 32-biters – CLK- og Trigger-linjer for T&M-applikasjoner | – Basegrensesnitt, 10 GbE, – Fabric-grensesnitt, x4, 100 GbE eller 4 x PCIe Gen 4 – CLK- og Trigger-linjer for store vitenskapelige bruksområder (MTCA.4) | – Basegrensesnitt, 10 GbE, – Fabric-grensesnitt, x4, 100 GbE eller 3 x PCIe Gen 4 – CLK og Trigger-ledninger for telekommunikasjon |
| Topologi | 1 rotkompleks | 1 rotkompleks eller dobbelstjerne | 1 rotkompleks, dobbeltstjerne, firedobbeltstjerne, full-mesh |
| Kretskortområde (høyde/dybde) | 160 cm² (3 U / 160 mm) // 373 cm² (6 U / 160 mm) | 132 cm² (75 mm / 180 mm) // 268 cm² (150 mm x 180 mm) | 902 cm² (8 U / 280 mm) |
| Kretskortbredde | 4 hk (20.32 mm) | 3 hk (15.24 mm), 4 hk (20.32 mm), 6 hk (30.48 mm) | 6 hk (30.48 mm) |
| Maks. antall kretskort | 21 | 12 | 16 |
| Maks., strøm/kretskort | 80 W | 80 W | 450 W |
Tabell 1: Sammenligning mellom PXIe, MicroTCA og AdvancedTCA for et 19-tommers system
Det er vanlig at kravene til systemet for kontroll av kvanteberegning er høyere enn kravene til modulære systemer med åpen standard når det gjelder synkronisering av klokker og antall enheter på én node. Oppnåelse av krav starter med tiltak som:
- Fjerne innebygde redundansfunksjoner i MicroTCA og AdvancedTCA og i stedet implementere tilleggssignaler
- Legge til mer nøyaktige klokkekilder (PXIe)
- Utvide antallet kretskort i ett system
- Øke kretskortstørrelsen (høyde og dybde)
- Øke kretskortbredden for å få plass til større varmeavledere
Vi har allerede sett at spesifikasjoner endres for å støtte krav som er spesifikke for partikkelakseleratorer, og vi forventer å se det samme skje for kontrollsystemer for kontrollsystemer for kvanteberegning i fremtiden. Inntil videre bør åpne standarder være en del av vurderingsgrunnlaget for kontrollsystemer for kvanteberegning, ettersom de utgjør et solid og levedyktig designgrunnlag. Jo mer du går bort fra standarden, jo mer ingeniørarbeid er det som ikke er relatert til kjernefunksjonen til kvanteberegning.