Los equipos de prueba para RF y microondas son primordiales en el desarrollo de la informática cuántica

Autor: Enrico Brinciotti, Anritsu Corporation

1. ¿Cuál es la principal diferencia entre un ordenador clásico y un ordenador cuántico?

Los ordenadores clásicos y los superordenadores utilizan bits digitales para procesar la información y realizar cálculos. Los bits digitales pueden tener el estado 0 o 1. La principal diferencia con la informática cuántica reside en que esta utiliza bits cuánticos, también denominados qubits o cúbits. A diferencia de los bits digitales, los qubits pueden existir en forma de superposición de estados. En otras palabras, los qubits pueden tener el estado 0 y 1 simultáneamente, por lo que revolucionan las limitaciones de la informática clásica y abre la puerta aplicaciones totalmente nuevas hasta ahora inconcebibles.

2. ¿Qué retos trae consigo la informática cuántica desde el punto de vista de los equipos de RF y microondas?

Uno de los principales retos relacionado con el diseño de qubits es la investigación y el desarrollo de modelos de dispositivos y de los materiales a utilizar. Una vez optimizados el modelo y los materiales, el siguiente reto es la ingeniería y el control de los qubits diseñados. La manipulación y el control de los estados de energía de los qubits se efectúa por medio de pulsos electromagnéticos complejos cuya duración es del orden de nanosegundos entre 2 y 40 GHz. El uso de qubits superconductores es una de las técnicas más empleadas para construir un ordenador cuántico. El procesador cuántico se encuentra en el fondo de un criostato a temperaturas de incluso tan solo 10 mK. Un gran desafío es garantizar una buena conectividad con el chip minimizando la diafonía y otros errores. Por encima del criostato, a temperatura ambiente, lo más prioritario es el rendimiento del sistema, su estabilidad, su sincronización y, a medida que aumenta el número de qubits, su escalabilidad. El sistema de control de qubits está conectado al procesador a través de un elevado número de cables de RF que suben y bajan por el criostato. Se usan atenuadores y filtros a diferentes temperaturas del criostato tanto para minimizar el calor en los cables como para reducir el ruido. Las conexiones de RF en el criostato incluyen también a menudo amplificadores y circuladores para mejorar la relación señal/ruido (SNR) y acortar los tiempos de medida. Hay varios cables por qubit para control y lectura; la creación de un sistema de 50 qubits exige más de 120 cables. Todos estos componentes y conexiones de RF se deben calibrar a nivel del sistema en general con el fin de obtener la mejor SNR posible, un excelente ruido de fase y una baja latencia.

3. ¿Qué soluciones de prueba se utilizan para calibrar los errores sistemáticos en un ordenador cuántico?

Las soluciones de prueba se instalan sobre el criostato ya que suelen funcionar a temperatura ambiente. Los ordenadores cuánticos incluyen numerosas conexiones de RF, cada una de ellas con varios componentes activos y pasivos. Una importante fuente de error consiste en errores sistemáticos que son bien conocidos en el entorno de RF y se pueden eliminar por medio de calibraciones para corrección de errores a través del análisis de redes vectoriales (Vector Network Analysis, VNA). El estímulo y la respuesta en el mundo cuántico se conocen como control y lectura. Dado el elevado número de canales/conexiones de RF que incluye una típica configuración cuántica, un VNA multipuerto o modular es ideal para optimizar la calibración.

4. ¿Qué otros equipos de prueba de RF y microondas se suelen utilizar en un ordenador cuántico?

Como los qubits se estimulan con pulsos de microondas en el rango de 2 a 40 GHz, a menudo se recurre a convertidores elevadores y reductores para controlar los qubits. Los generadores de señal analógica y digital funcionan aquí como osciladores locales (Local Oscillators, LO) en las etapas de conversión elevadora y reductora o bien para controlar los amplificadores. La señal de estímulo se suele generar mediante un generador de señal vectorial (Vector Signal Generator, VSG), bien sea por modulación I/Q interna o externamente a través de un generador de formas de onda arbitrarias (Arbitrary Waveform Generator, AWG). Los AWG se usan a veces para proporcionar una modulación de banda lateral única y controlar un qubit a una frecuencia distinta a la frecuencia de la portadora suministrada por el VSG. Los tonos necesarios para leer el qubit se generan de la misma manera y todas las portadoras resultantes se combinan antes de introducirse en el refrigerador criogénico. Como los qubits son muy sensibles al ruido de fase, el generador de señal analógica y vectorial que proporciona las señales de manipulación deben ofrecer una excelente pureza de la señal de salida. Para caracterizar las señales generadas su usan analizadores de espectro de banda ancha y tiempo real, así como analizadores de ruido de fase.

5. ¿Qué estados o parámetros se miden?

• Manipulación de un solo qubit mediante pulsos de microondas. Se necesitan tres señales:
  • Señales (modeladas) de pulsos (banda base) en frecuencias de RF/microondas. El pulso de modulación requerido puede ser < 10 ns, que resulta muy exigente para la velocidad de muestreo en la generación de pulsos (> 1 GS/s). La frecuencia de RF o microondas del LO está entre 2 GHz y 40 GHz. Desde el punto de vista de la física cuántica, cuanto mayor es la frecuencia, mejor, pues mayor será la diferencia del estado de la energía de los qubits. Sin embargo, esto también encarece los ensayos. Se necesitan un bajo ruido de fase y una alta pureza espectral para la detección de estado con una baja tasa de errores. El ajuste fino de la fase y la coherencia entre las señales de oscilación son cualidades extremadamente valiosas ya que ayudan a disminuir de modo significativo la latencia.
  • Señales de frecuencia intermedia (Intermediate Frequency, IF) generalmente < 100 MHz moduladas en (la misma) frecuencia de RF/microondas.
  • Señales de pulsos de CC para activación/conmutación.
• Lectura del estado de los qubits:
  • Las señales procedentes del criostato se reducen a la banda base y luego al dominio digital. Antes de enviar la información sobre el estado de los qubits a la Placa de Control y el software del algoritmo cuántico, a menudo se preprocesan las señales digitales lo máximo posible para reducir la carga de procesamiento de los datos en la placa de control.
• Lazo de control y realimentación:
  • La Placa de Control recibe y analiza las señales del estado de los qubits detectados y entrega instrucciones a los circuitos/instrumentos de manipulación de qubits sobre los siguientes esquemas de modulación.

6. ¿Cuál es el flujo de señal en un típico ordenador cuántico?

Un típico ordenador cuántico funciona como un lazo cerrado: la generación de señales de control y modulación, la aplicación de estas señales a los qubits, la lectura continua del estado de los qubits, el análisis de las señales de lectura y la toma de decisiones sobre qué señales de modulación/control aplicar a continuación, y así sucesivamente. La duración media de un qubit suele ser de unos 100 us, por lo que el lazo de realimentación debe tener una latencia muy baja, generalmente < 1 us entre la lectura y el control del qubit. Por tanto, cada instrumento/bloque funcional del lazo debe ser lo más rápido posible.

7. ¿Cómo se mide el rendimiento de un ordenador cuántico?

El rendimiento de las operaciones de preparación, control y medida del qubit se evalúa con un parámetro conocido como fidelidad. Para cada una de estas tres tareas existen diferentes métodos para cuantificar la fidelidad. En general, podemos definir la fidelidad como establecer lo cerca que está la implementación de una operación en el laboratorio respecto a su representación teórica ideal. Una fidelidad de 1 representa una implementación perfecta y una fidelidad de 0 indica un fallo total. La presencia de ruido, derivas, disipación o una mala calibración pueden introducir errores en la implementación y por tanto provocar que la fidelidad sea inferior a 1. La tasa de error indica hasta qué punto se encuentra la fidelidad de una operación por debajo de 1. Las técnicas para estimar de manera eficiente y exacta las fidelidades y las tasas de error, especialmente en grandes procesadores cuánticos, constituyen una activa área de investigación. Dado que la fidelidad obtenida con las actuales tecnologías de qubits es demasiado baja para la ejecución de algoritmos, se puede recurrir a una técnica denominada corrección de errores cuánticos (quantum error correction, QEC) para mejorar la fidelidad codificando el estado cuántico en un elevado número de qubits físicos. QEC exige una mínima fidelidad de los qubits físicos y emplea ciclos continuos de medida de qubits con control de realimentación.

8. ¿Qué otras fuentes de error hay, además de los errores sistemáticos?

La informática cuántica no es como la informática clásica analógica basada en un circuito sino que utiliza un conjunto discreto de las operaciones efectuadas en un conjunto discreto de estados y proporciona una salida digital. Los errores de control y medida se pueden ver como errores digitales que aparecen con cierta probabilidad, un hecho que indica la capacidad de realizar la QEC. Un ordenador cuántico se ve afectado por los errores de control de tipo analógico (rotación excesiva o escasa, desviación del eje de rotación) y errores de incoherencia en el entorno (cambios de bit aleatorios y variaciones de fase). Los qubits tienen una probabilidad de error intrínseca. Si la probabilidad de error es suficientemente baja, estos errores se pueden detectar y mediante redundancia y medidas de paridad. El número exacto de qubits añadidos que necesita QEC depende de la probabilidad y del tipo de errores, pero se estima que una clave criptográfica de 2000 bits requiere 106 qubits y un día de tiempo de ejecución con la velocidad de reloj de los procesadores cuánticos existentes. En general, más pequeños son los errores, mayor es el algoritmo que se puede ejecutar con éxito, por lo que es importante destinar esfuerzos a disminuir los errores. Las tasas de errores más avanzadas para control y medida son actualmente del orden de 10⁻² a 10⁻⁶ por operación, dependiendo del tipo de operación y de la implementación física del qubit.

9. ¿Existe algún umbral de error por debajo del cual deba funcionar un ordenador cuántico?

Por regla general los errores de control por debajo de un umbral aproximado de 10⁻⁴ por puerta son suficientemente bajos para la mayoría de los protocolos de QEC, y algunos pueden tolerar errores de hasta el 1% por puerta. Una segunda regla práctica es que, cuanto mayor es la tasa de errores en la puerta, más recursos (en cuanto a qubits, operaciones de puerta y medidas) se necesitan para implementar el protocolo de QEC, una carga que puede resultar muy pesada cuando las tasas de error se acercan al umbral. Un objetivo práctico para las tasas de error de control medias es 10⁻⁴ por puerta. Dado que los errores de control son la suma de muchos mecanismos diferentes de errores físicos, como la incoherencia intrínseca de los propios qubits, cumplir este objetivo implica que cada aportación al error debería ser significativamente más reducida.

10. ¿La tecnología de prueba y medida para qubits es totalmente nueva o se ha desarrollado a partir de soluciones existentes?

Los principales equipos de prueba y medida para ordenadores cuánticos se han desarrollado a partir de soluciones existentes. Entre las soluciones que se suelen utilizar en este ámbito se encuentran generadores de formas de onda arbitrarias (AWG), digitalizadores, generadores de señal analógica, sintetizadores, analizadores de redes vectoriales (VNA), analizadores de espectro, analizadores de ruido de fase y medidores de potencia.

11. ¿Qué VNA ofrece Anritsu para informática cuántica?

• VectorStar: VNA de muy alto rendimiento para I+D en el diseño de qubits, validación de modelos y comprobación de materiales con el fin de caracterizar las frecuencias resonantes del procesador. Puede facilitar la depuración de chips de informática cuántica y ayuda a los desarrolladores a realizar medidas de dos tonos para determinar con rapidez las frecuencias resonantes y los principales factores de calidad de los chips de prueba, mostrando los resultados en los tiempos de coherencia del sistema cuántico.
• Serie de VNA ShockLine: VNA de alta precisión para calibración y caracterización del sistema (resonancias y factores Q).
  • MS46524B: VNA integrado de 4 puertos con 4 fuentes independientes y 8 receptores.
  • MS46131A/ME7868A: VNA único, compacto y modular que ofrece diversas medidas en
    1 puerto en paralelo así como medidas distribuidas en 2 puertos con una distancia entre puertos de hasta 100 metros.

12. ¿Qué generadores de señal ofrece Anritsu para informática cuántica?

• Rubidium^TM: excepcional pureza espectral y una estabilidad de nivel atómico superior a los OCXO convencionales, el mejor ruido de fase en el mercado (-140 dBc/Hz a 10 GHz, 10 kHz de offset). Ideal para LO de alta precisión dentro de bloques de manipulación y lectura, como reloj de muy alta estabilidad con un nivel muy bajo de jitter y para controlar amplificadores.

En la región EMEA, Anritsu se ha asociado a Anapico en una oferta integrada:

• Anapico APMS: fuente de oscilación coherente de fase multicanal. Hasta 4 canales ajustables de manera totalmente independiente con coherencia de fase y memoria de fase, hasta 6, 12, 20, 33 y 40 GHz. Ideales como moduladores/mezcladores de LO de RF a IQ y como fuente de bombeo para amplificadores paramétricos.
• Anapico APVSG: generador de señal vectorial multicanal. Hasta 4 canales ajustables de manera totalmente independiente con coherencia de fase y memoria de fase, hasta 6, 12, 20, 33 y 40 GHz. Ideales como moduladores/mezcladores de LO de RF a IQ y para la generación de señales de manipulación de qubits.

13. ¿Qué analizador de señal ofrece Anritsu para informática cuántica?

• MS2840A: analizador de espectro muy bajo ruido. Su alta sensibilidad permite verificar el ruido de todo el sistema, el rendimiento de los amplificadores y la configuración de detección, así como medir y calibrar mezcladores I/Q.
• MS2850A: analizador de espectro/señal con un gran ancho de banda de análisis de hasta 1 GHz. Gracias a su gran ancho de banda y su bajo ruido de fondo resulta de gran ayuda para analizar señales de pulsos moduladas IQ en la etapa de lectura y para monitorizar espectros de pulsos.
• MS2090A: analizador de espectro portátil de gama alta en tiempo real con un gran ancho de banda de análisis de 110 MHz. Solución para evaluar la calidad de señal y la resolución de problemas. Gracias a su pequeño tamaño, sensibilidad y prestaciones en tiempo real, es un instrumento enormemente valioso para detectar bandas laterales no deseada o señales cortas y esporádicas de interferencia.

En la región EMEA, Anritsu se ha asociado a Anapico en una oferta integrada que incluye un analizador de ruido de fase:

• Anapico APPH: instrumentos versátiles de banda ancha hasta 7, 26, 40, 50, 65 GHz con una sensibilidad de medida muy alta.