Quantencomputer versprechen Antworten auf Fragestellungen, die mit normalen Computern unlösbar erscheinen. Anwendungen sind vielfältig und reichen von den Materialwissenschaften über die Medikamentenforschung bis zu maschinellem Lernen, künstlicher Intelligenz und weiteren Optimierungsproblemen. Besonders in den letzten Jahren erfreut sich das Thema wachsender Aufmerksamkeit durch steigendes industrielles Interesse und signifikante Fortschritte bei Fehlerkorrektur und Skalierung. Nichts desto trotz sind noch viele wissenschaftliche und ingenieurstechnische Herausforderungen ungelöst, bevor ein universeller Quantencomputer realisiert werden kann. Weltweit wird daher an Umsetzungsmöglichkeiten für Quantenprozessoren, dafür notwendige Elektronik und Quantenalgorithmen geforscht, um diesem Ziel näherzukommen. Auch das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) beteiligt sich sehr aktiv in diesem Forschungsfeld. Am Physikalischen Institut des KIT wird an supraleitenden Quantenbits als vielversprechender Kandidat zur Verwirklichung eines Quantenprozessors geforscht. Das aus dem KIT hervorgegangene Start-up HQS Quantum Simulations entwickelt Algorithmen für Quantencomputer. Komplettiert wird das Spektrum durch unsere Aktivitäten des IPE, die notwendige Elektronik und Software zur Verknüpfung beider Welten zu entwickeln und bereitzustellen.

Supraleitende Quantenbits, auch Qubits genannt, sind Schaltkreise aus supraleitenden Materialien. Diese verlieren unterhalb einer kritischen Temperatur abrupt ihren elektrischen Widerstand. Gleichzeitig treten quantenphysikalische Effekte auf, die dem Quantenbit die notwendigen Eigenschaften verleihen. Während die Information im quantenmechanischen Zustand der Qubits gespeichert wird, erfolgen Operationen in Form von externen elektromagnetischen Signalen. Diese Mikrowellenpulse sind in der Lage den Zustand der Quantenbits zu verändern. Typische Eigenschaften der Pulse sind hierbei Frequenzen von einigen Gigahertz und Pulsdauern im Nanosekundenbereich. Neben der notwendigen Präzision der Pulse selbst ist auch die deterministische Abfolge selbiger eine wichtige Anforderung. Dies umfasst auch die zuverlässige Auslese der Qubit-Zustände, welche ebenfalls durch Mikrowellenpulse und deren anschließender Auswertung erfolgt.

Technologie

Am IPE entwickeln wir eine skalierbare Elektronik, die es ermöglicht, supraleitende Quantenbits mittels Mikrowellenpulsen anzusteuern und auszulesen. Der Fokus liegt hierbei auf einem Komplettsystem, das die gesamte Signalverarbeitungskette abdeckt: von der analogen Signalkonditionierung mit Hochfrequenz-Mischern, über die Signalgenerierung und -digitalisierung, bis hin zur Datenverarbeitung, -auswertung und -bereitstellung für den Nutzer.

Deshalb erforschen und entwickeln wir neben reinen Möglichkeiten zur Pulserzeugung und -verarbeitung auch neue Konzepte zur Bedienung durch den Nutzer und innovative Verfahren zur analogen Wandlung der Mikrowellenpulse. Unser System wird bereits seit 2017 in Experimenten am Physikalischen Institut eingesetzt. Basierend auf den Erfahrungen und Anforderungen wird es seither kontinuierlich weiter entwickelt und um neue Funktionalitäten ergänzt.

Heterogenes Kontrollsystem

Das Herzstück des Systems ist die heterogene Multiprozessor-Architektur, die neben einem Anwendungs- und einem Echtzeitprozessor (APU und RPU) auch einen FPGA verbindet. FPGAs sind programmierbare Logikschaltungen, die es erlauben, komplexe Signalverarbeitungsalgorithmen hochgradig parallelisiert in Logik abzubilden. In unserem Fall umfasst dies sowohl eine Ablaufsteuerung (Sequencer), die Erzeugung von Mikrowellenpulsen (Pulse generators), als auch die Aufnahme und Auswertung der von den Qubits zurückkehrenden Signale (Recording). Aufgrund der Anforderungen an Nanosekunden-Präzision und deterministische Abläufe bietet sich ein FPGA hier an.

Die Konfiguration und Interaktion mit der Logik auf dem FPGA findet über einen address-basierten AXI4 Bus statt, der mit den CPUs des heterogenen Systems verbunden ist. Über diesen können die einzelnen Module auf dem FPGA konfiguriert und für ein Experiment vorbereitet werden. Ebenfalls wird auf diesem Weg die Abfrage von einzelnen Messergebnissen ermöglicht. Daher läuft auf der APU ein von uns entwickelter, modularer Kommunikationsserver, der so genannte ServiceHub. Über Ethernet können mit diesem die Module auf dem FPGA bequem konfiguriert und ausgelesen werden.

Auch über die RPU kann auf die FPGA Module zugegriffen werden. Dieser Zugriff ist besonders schnell und kann durch die Echtzeitfähigkeit des Prozessors mit deterministischer Zugriffszeit erfolgen. Dadurch ist es möglich, zeitkritische Abläufe, die den Funktionsumfang des Sequencers übersteigen, sehr Hardware-nah und mit geringem Overhead in Software zu realisieren. Damit dies für den Nutzer so einfach wie möglich ist, haben wir hierfür ein eigenes Framework, den Taskrunner, entwickelt. Dieses erlaubt es, C-Dateien an die Plattform zu übertragen, wo sie kompiliert und auf die RPU geladen werden. Gleichzeitig stellt der Taskrunner definierte Schnittstellen bereit, um mit dem Prozessor zu interagieren und Daten zurück an den Nutzer übertragen zu können.

Um alle Anforderungen möglichst effizient auf einem System vereinen zu können, setzen wir aktuell auf die noch junge ZYNQ UltraScale+ RFSoC Reihe von Xilinx. Diese kombiniert neben den benötigten Prozessoren und dem FPGA auch gleich leistungsstarke Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandler auf einem Chip. Für die aktuelle Version verwenden wir daher das ZCU111 Evaluationsboard von Xilinx. Dieses kombinieren wir mit einer selbst designten RFMC-Adapterplatine, um die Ein- und Ausgänge der Wandler an SMA-Stecker zu führen.

Analogelektronik

Da Digital-Analog-Wandler auf Frequenzen von einigen hundert Megahertz bis höchstens wenige Gigahertz beschränkt sind, ist eine Signalumwandlung in den Zielfrequenzbereich von typischerweise 4 bis 12 Gigahertz unausweichlich.

Bisher bauen die Experimentalphysiker ihre Analogelektronik überwiegend selbst aus diskreten Elementen auf und kalibrieren diese im Anschluss. Wir wollen diesen wichtigen Aspekt ebenfalls in unser Komplettsystem integrieren und durch digitale Steuermöglichkeiten kontrollierbar machen. In einem ersten Schritt haben wir daher den diskreten Aufbau um steuerbare Verstärker und Dämpfer ergänzt. Durch die Integration einer selbst entwickelten Versorgungs- und Kontrollspannungsplatine sowie eines Raspberry Pi kann die Pegeleinstellung rein digital über Ethernet erfolgen. Das System (siehe obiges Bild) erlaubt das Hoch- und Heruntermischen eines IQ-Auslesebands sowie das Hochmischen eines separaten IQ-Manipulationssignals, welche anschließend über einen Richtkoppler auf eine Ausgangsleitung kombiniert werden. Die Pegel beider Signale lassen sich hierbei unabhängig voneinander steuern.

Das Hoch- und Heruntermischen von Auslesesignalen ist eine Standardaufgabe für die meisten experimentellen Aufbauten mit supraleitenden Quantenbits. Mit steigender Anzahl Quantenbits in einem System kann sich der manuelle Aufbau jedoch sehr ressourcenaufwändig und fehleranfällig gestalten. Mit der Entwicklung einer eigenen Mischer-Platine begegnen wir dieser Herausforderung. Neben dem Mischprozess integriert diese auch direkt die Lokaloszillatoren. Damit können wir einen wichtigen Beitrag leisten, die Komplexität experimenteller Aufbauten zu reduzieren, eine stärkere Anbindung an unsere Kontrollelektronik zu ermöglichen und gleichzeitig eine deutliche Kostenreduktion zu erreichen. Über einen innovativen Mischprozess können die komplexen IQ-Signale kostengünstig auf die Zielfrequenz umgesetzt werden. Gleichzeitig erlaubt eine digitale Schnittstelle die Konfiguration aller Komponenten, wie die Frequenz des Lokaloszillators und die Pegel der variablen Verstärker und Dämpfer. Dies kann entweder integriert durch die Plattform oder im autonomen Betrieb zusammen mit einem Raspberry Pi erfolgen. Aktuell erforschen wir einerseits Optimierungen dieses Konzepts, andererseits auch ein neuartiges Mischverfahren, um nicht nur für die Auslese, sondern auch für die Ansteuerung ebenfalls eine präzise, kostengünstige und effiziente Lösung zu ermöglichen.

Software-Entwicklung

Zu einem funktionsfähigen Komplettsystem gehört ebenfalls die Möglichkeit, dieses als Nutzer komfortabel verwenden zu können. Aus diesem Grund ist die Python-Treiberentwicklung einerseits, aber auch die Plattform-interne Weiterentwicklung der Software andererseits, ein integraler Bestandteil unserer Forschung. Wir beschäftigen uns insbesondere mit Möglichkeiten, Experimente mit supraleitenden Qubits möglichst intuitiv und Plattform-unabhängig beschreiben zu können. Darüber hinaus interessieren uns ebenfalls Möglichkeiten des effizienten Datenaustauschs. Dieser kann insbesondere während laufender Experimente für einen kontinuierlichen Aufbau von Messergebnissen verwendet werden, um eine frühzeitige Einschätzung durch den Nutzer zu ermöglichen.

Unsere Python-Bibliothek ist kompatibel mit der Messumgebung Qkit, die auf Experimenten mit supraleitenden Quantenbits spezialisiert ist, und am Physikalischen Institut des KIT entwickelt wird.

Für Studierende

Wir sind ein junges, motiviertes und interdisziplinäres Team am Campus Nord, das an der Schnittstelle von Physik, Elektrotechnik und Informatik arbeitet. Unsere Gruppe entwickelt Elektronik, um supraleitende Schaltkreise im Experiment ansteuern und auslesen zu können. Hier liegt der Fokus einerseits auf supraleitenden Quantenbits, wie sie für zukünftige Quantencomputer zum Einsatz kommen könnten. Andererseits lesen wir auch große SQUID-basierte Detektor-Arrays aus.
 
 Technisch gesehen decken wir hierbei die ganze Signalverarbeitungskette ab, von der Platinen-Entwicklung für HF und digitale Anwendungen (kicad), über FPGA-Programmierung (VHDL), Linux-Kernel-Treiber/Embedded-Software (C), High-Level-Treiber (C++), bis hin zur Experimentansteuerung und User-Treibern (Python).

Studierende sind ein integrativer Bestandteil und eine der Säulen unseres Teams. Wir bieten kontinuierlich Bachelor- und Masterarbeiten sowie Hiwi-Jobs in den unterschiedlichsten Themenfeldern an und freuen uns über tatkräftige Unterstützung. Wer technisch begeisterungsfähig ist, findet hier auf jeden Fall ein abwechslungsreiches und spannendes Forschungsfeld. Bei Interesse nach den ausgeschriebenen Arbeiten schauen oder einfach bei Oliver Sander oder Luis Ardila melden.