Bygga framtiden inom kvantdatorteknik: utnyttja modulära standarder för konstruktion av styrsystem
I kvantdatorsystem är styrelektronik avgörande för att underlätta driften och hanteringen av kvantbitar. Deras precision säkerställer integriteten och noggrannheten hos bearbetningen av kvantdatorteknik och resultat. För effektiv drift behöver ingenjörer fullständig latens på de låga millisekunderna för chassit, inklusive switchar och CPU-portar (centralprocessor). Dessutom behövs exakta klockor, lågt elektroniskt brus, kraftfull synkronisering över flera kort och kapacitet att skala upp parallellt med antalet kvantbitar.
När det kommer till att bygga dessa kvantdatorsystem ligger det i människans natur att börja med det vi vet. Ändå händer det ofta att ingenjörer uppfinner hjulet på nytt, utan att ta hänsyn till befintliga plattformar som skulle kunna utgöra en stark konstruktionsgrund. I den här artikeln diskuteras fördelarna med att överväga system med öppen standard för styrenheter för kvantdatorer.
Specialister inom kvantdatorteknik i universitetsmiljöer har ofta djupgående teoretiska kunskaper och mindre erfarenhet av industriell implementering. Koncepttester skapas vanligtvis handkopplat med den utrustning som finns i laboratoriet. Det kan fungera för att skapa prototyper, men är inte idealiskt i kommersiell skala. Specialister som börjar arbeta med kvantdatorteknik med erfarenhet från en annan fysikfokuserad roll kan förstå nyanserad styr- och mätteknik, men kanske inte är insatt i det bredare spektrumet av tillgänglig teknik. I båda fallen uppfinner ingenjörer ofta hjulet på nytt när de konstruerar sitt styrsystem för kvantdatorer, ofta utan att ta hänsyn till befintliga plattformar som skulle kunna utgöra en stark konstruktionsgrund.
Modulära plattformar för styrning av kvantdatorer: bygga på redan etablerade standarder
AdvancedTCA (Advanced Telecom Computing Architecture) och MicroTCA (Micro Telecommunications Computing Architecture) är modulära, öppna standarder som har anpassats för storskalig vetenskaplig forskning och utveckling. Ursprungligen utformades AdvancedTCA och MicroTCA för att överföra stora mängder data i tillämpningar för telekommunikation. I dag har funktionen för MicroTCA utökats till kraftfullare kortsynkronisering och klockprecision för strålkontroll i partikelacceleratorer. Det var inom fysikvärlden som implementeringen av bakre anslutningsmoduler (RTM) och separationen av digitala och analoga kretsar tog fart. Färdiga test- och mätsystem med hög precision och PXIe är lika fördelaktiga för dessa typer av tillämpningar i elektroniska laboratorier och simuleringslaboratorier i universitetsmiljöer.
Även om partikelacceleration är ett annat tillämpningsområde kan användningen av system som MicroTCA eller AdvancedTCA vara användbart för att konstruera skalbar styrning av kvantdatorer. Det finns redan standardöverföringsprotokoll som PCI Express, Ethernet eller Serial RapidIO (SRIO) med låg latens och hög dataöverföringshastighet. Det tekniska ramverket är fördefinierat med vanliga standarder för strömförsörjning, kylning och brus relaterat till elektromagnetisk kompatibilitet (EMC). Dessutom överensstämmer de med certifikat som CE och UL, presenterar standardiserade kortformat och tillhandahåller definierad interoperabilitet. Med en välutvecklad grund kan ingenjörer justera eller ta bort funktioner som inte behövs i styrenheter för kvantdatorer.
PXIe innehåller redan tillägg för klockor och utlösare som ursprungligen utformades för att synkronisera mätningar parallellt. MicroTCA har ännu mer avancerade klockimplementeringar, tack vare befintliga krav för synkronisering av partikelstrålar. Genom att välja och bygga på en modulär plattform med öppen standard kan du använda ett fördefinierat, holistiskt tillvägagångssätt. Var och en av dessa plattformar fokuserar på protokoll, datahastigheter, kommunikation mellan kortplatser, effekt per kortplats, antal kortplatser, formfaktor osv. Det viktigaste är att fastställa skillnaderna mellan dessa plattformar och vilka ändringar som krävs för att plattformen ska passa dina unika tillämpningskrav. En erfaren partner inom elektronikinkapsling kan hjälpa dig med den bedömningen.
| PXI Express | MicroTCA | AdvancedTCA | |
| Dataöverföring | – PCI Express Gen3, 4 eller 8 – PCI-buss, 32-bitars – Klock- och utlösningssignaler för tillämpningar med test- och mätsystem | – Basgränssnitt, 10 GbE – Höghastighetsdatasgränssnitt, 4, 100 GbE eller 4 PCIe Gen 4 – Klock- och utlösningssignaler för tillämpningar inom storskalig forskning (MTCA.4) | – Basgränssnitt, 10 GbE – Höghastighetsdatasgränssnitt, 4, 100 GbE eller 4 PCIe Gen 3 – Klock- och utlösningssignaler för telekommunikation |
| Topologi | 1 rotkomplex | 1 rotkomplex eller dubbelstjärnig | 1 rotkomplex, dubbelstjärnig, dubbel dubbelstjärnig, fullständigt nät |
| Kortstorlek (höjd/djup) | 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) |
| Kortbredd | 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) |
| Högsta antal kort | 21 | 12 | 16 |
| Högsta effekt per kort | 80 W | 80 W | 450 W |
Tabell 1: Jämförelse mellan PXIe, MicroTCA och AdvancedTCA för ett 19-tumssystem
Det är vanligt att kraven på styrsystem för kvantdatorer är högre än för modulära system med öppen standard när det gäller klocksynkronisering och antalet enheter på en nod. Börja med följande åtgärder för att uppfylla kraven:
- Ta bort inbyggda redundansfunktioner från MicroTCA och AdvancedTCA och implementera extrasignaler istället.
- Lägg till mer exakta klockkällor (PXIe).
- Utöka antalet kort i ett system.
- Öka kortstorleken (höjd och djup).
- Öka kortbredden för att få plats med större kylflänsar.
Vi har redan sett att specifikationerna ändras för att uppfylla krav som är specifika för partikelacceleratorer och vi förväntar oss att se samma sak för kvantdatorsystem i framtiden. För närvarande bör system med öppen standard ingå i uppsättningen för kvantdatorsystem eftersom de utgör en stark och hållbar konstruktionsgrund. Ju mer du avviker från standarden, desto mer tekniskt arbete krävs som inte är relaterat till kvantdatorns huvudfunktion.