Budowanie kwantowej przyszłości: Wykorzystanie modułowych standardów w projektowaniu systemów sterowania

W systemach komputerów kwantowych elektronika sterująca odgrywa kluczową rolę w umożliwianiu działania i manipulowania kubitami. Ich precyzja zapewnia integralność i dokładność przetwarzania oraz wyników obliczeń kwantowych. Aby zapewnić skuteczne działanie, inżynierowie potrzebują całkowitych opóźnień rzędu niskich milisekund dla swoich obudów, w tym przełączników i portów centralnej jednostki obliczeniowej (CPU). Istnieje również potrzeba stosowania precyzyjnych zegarów, niskiej emisji szumów elektronicznych, silnej synchronizacji pomiędzy wieloma płytami oraz możliwości skalowania wraz ze wzrostem liczby kubitów.

Jeśli chodzi o budowę tych systemów sterowania komputerami kwantowymi, naturalne jest, aby zaczynać od tego, co się już zna. Jednak wielu inżynierów ostatecznie „odkrywa koło na nowo”, często nie doceniając istniejących platform, które mogłyby stanowić solidną podstawę projektu. W tym artykule omówiono zalety rozważenia zastosowania systemów opartych na otwartych standardach w jednostkach sterujących komputerów kwantowych.

Specjaliści od komputerów kwantowych w środowiskach akademickich zazwyczaj mają dogłębną wiedzę teoretyczną, ale mniejsze doświadczenie w zakresie wdrożeń przemysłowych. Prototypy koncepcyjne są zazwyczaj budowane z wykorzystaniem istniejącego sprzętu laboratoryjnego i okablowywane ręcznie. Chociaż może to być odpowiednie do tworzenia prototypów, nie jest to optymalne w przypadku skalowania komercyjnego. Specjaliści, którzy podchodzą do komputerów kwantowych, mając doświadczenie z innych ról związanych z fizyką, mogą rozumieć zaawansowane technologie sterowania i pomiaru, ale niekoniecznie są zaznajomieni z szerszym spektrum dostępnych technologii. W obu przypadkach wielu inżynierów w końcu „wynajduje koło na nowo” przy projektowaniu systemów sterowania komputerów kwantowych, często nie doceniając istniejących platform, które mogłyby stanowić solidną podstawę projektową.

Modułowe platformy do sterowania komputerami kwantowymi: Bazowanie na wcześniej ustalonych standardach

Zaawansowana Architektura Komputerowa Telekomunikacji (AdvancedTCA) oraz Mikroarchitektura Komputerowa Telekomunikacji (MicroTCA) to modułowe, otwarte standardy, które zostały zaadaptowane do badań naukowych i prac rozwojowych na dużą skalę. Początkowo AdvancedTCA i MicroTCA zostały zaprojektowane do przesyłania dużych ilości danych w zastosowaniach telekomunikacyjnych. Obecnie architektura MicroTCA została rozszerzona o lepszą synchronizację płyt i precyzję zegara, co umożliwia sterowanie wiązką w akceleratorach cząstek. To społeczność fizyków zainicjowała wdrożenie tylnych modułów przejściowych oraz rozdzielenie obwodów cyfrowych i analogowych. Systemy testowe i pomiarowe (T&M) gotowe do zastosowań, wykorzystujące PXIe, są równie korzystne dla tego rodzaju zastosowań w laboratoriach elektronicznych i symulacyjnych na uczelniach.

Chociaż przyspieszanie cząstek jest inną dziedziną zastosowań, projektowanie z wykorzystaniem systemów takich jak MicroTCA czy AdvancedTCA oferuje drogę do skalowalnego projektowania sterowania komputerami kwantowymi; istnieją już standardowe protokoły transferu, takie jak PCI Express, Ethernet czy Serial RapidIO (SRIO), charakteryzujące się niskimi opóźnieniami i wysokimi prędkościami przesyłu danych. Ramy technologiczne są wstępnie zdefiniowane z wykorzystaniem wspólnych standardów dotyczących zasilania, chłodzenia oraz kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). Dodatkowo spełniają wymagania certyfikatów takich jak CE i UL, oferują standardowe formaty płyt oraz zapewniają określoną interoperacyjność. Dysponując dobrze rozwiniętą bazą, inżynierowie mogą dostosować lub usunąć funkcje, które nie są potrzebne w jednostkach sterowania komputerami kwantowymi.

PXIe oferuje już dodatki do zegarów i wyzwalaczy, które pierwotnie zostały zaprojektowane do synchronizacji pomiarów równoległych. MicroTCA posiada jeszcze bardziej zaawansowane implementacje zegara, wynikające z istniejących wymagań dotyczących synchronizacji wiązki cząstek. Wybór i rozbudowa platformy modułowej o otwartym standardzie daje dostęp do wcześniej ustalonego, kompleksowego podejścia. Każda z tych platform koncentruje się na protokołach, prędkościach przesyłu danych, komunikacji między slotami, mocy na slot, liczbie slotów, formacie płyt itp. Kluczowe jest określenie różnic między tymi platformami oraz modyfikacji niezbędnych do dopasowania ich do unikalnych wymagań aplikacji. Doświadczony partner w zakresie pakowania elektroniki będzie w stanie wesprzeć Cię w tej ocenie.

Tabela 1: Porównanie PXIe, MicroTCA i AdvancedTCA dla systemu 19-calowego

W przypadku systemów sterowania komputerami kwantowymi często zdarza się, że wymagania przewyższają możliwości modułowych systemów o otwartym standardzie, jeśli chodzi o synchronizację zegara oraz liczbę urządzeń w jednym węźle. Spełnienie wymagań rozpoczyna się od działań takich jak:

• Usunięcie wbudowanych funkcji redundancji w MicroTCA i AdvancedTCA oraz wdrożenie dodatkowych sygnałów w zamian
• Dodanie bardziej precyzyjnych źródeł zegara (PXIe)
• Zwiększenie liczby płyt w jednym systemie
• Zwiększenie rozmiaru płyty (wysokość i głębokość)
• Zwiększenie szerokości płyty w celu dostosowania do większych radiatorów

Widzieliśmy już, jak specyfikacje zmieniały się, aby wspierać wymagania specyficzne dla akceleratorów cząstek, i spodziewamy się, że w przyszłości podobne zmiany zajdą w systemach sterowania komputerami kwantowymi. Na razie systemy o otwartym standardzie powinny być brane pod uwagę przy projektowaniu systemów sterowania komputerami kwantowymi, ponieważ stanowią solidną i realną podstawę projektową. Im bardziej odbiegasz od standardu, tym więcej pracy inżynieryjnej pojawia się, która nie jest związana z podstawową funkcją komputera kwantowego.

Pobierz opracowanie techniczne