Das Unternehmen eleQtron, ein Spin-off der Universität Siegen, bietet einen Quantencomputer an, der die patentierten MAGIC (MAgnetic Gradient Induced Coupling)-Prozessoren enthält. MAGIC unterscheidet sich von anderen Quanten-Prozessoren durch die Verwendung von Mikrowellen anstelle von Lasern zur Steuerung und Manipulation der Qubits.
Mittels Laser-Ablation wird zunächst im Hochvakuum eine Kette von Ytterbium-Ionen (171 Yb+) erzeugt. Dieser Prozess kann eine Kette von bis zu 30 Ionen in einem einzigen Register erzeugen, wobei jedes Ion als Qubit fungiert, welches schlussendlich die Berechnungen ausführt. Der Schlüssel, um die Ionen anzusteuern, ist die Verwendung eines Magnetfelds und eines oszillierenden elektrischen Felds zur Erzeugung einer Paul-Falle (Quadrapol-Ionenfalle). Viele Designs verwenden dafür einen Laser, um die Qubits zu steuern und sie auf die Ausführung von Quantengattern vorzubereiten. Solche Laser müssen jedoch jedes Ion einzeln und mit außergewöhnlicher Genauigkeit anvisieren und haben daher einen hohen Energiebedarf.
Mikrowellen sind im Vergleich zu Lasern technisch einfacher und benötigen nur etwa ein Fünftel der Energie. Für dieses neue Design werden eine Hochfrequenz-Oszillatorquelle und der Ausgang der DDS-Karte von Spectrum über einen Einseitenbandmischer (SSB) kombiniert und erzeugen so ein Signal mit etwa 12,64 GHz. Mit dem durch das Magnetfeld verursachten Zeeman-Effekt kann jedes Ion durch Modulation des Signals in Deltas von 3 bis 5 MHz „adressiert“ werden. Dies führt zu geringem Übersprechen und lässt sich gut in chipbasierte Ionenfallen integrieren. Die DDS-Karte erzeugt das Mehrtonsignal, das für die individuelle Steuerung und Manipulation der Qubits erforderlich ist.
Steuerung von Qubits mit neuer DDS-Technologie
Die Wissenschaftler von eleQtron wandten sich an Spectrum Instrumentation, als sie an die Grenzen ihrer bestehenden AWG-Hardware stießen. Die erzeugten Signale müssen in Amplitude, Phasenverschiebung, Pulslänge und Frequenz präzise veränderbar sein, um jedes Qubit korrekt anzusteuern. Dies trägt dazu bei, die gewünschte Rabi-Frequenz zu erreichen, die die Geschwindigkeit der Quantenoperationen bestimmt. Solche Aufgaben stellen jedoch erhebliche Anforderungen an den verwendeten Arbiträrgenerator (AWG).
Dem eleQtron-Team wurde von Spectrum Instrumentation die M4i.66xx-Serie empfohlen – diese 16-BitAWGs werden in der weltweiten Quantenforschung sehr häufig eingesetzt. Die PCIe-Karten bieten ein, zwei oder vier synchrone Kanäle mit einer Ausgaberate von bis zu 1,25 GS/s und einen großen integrierten Speicher, der zur Wiedergabe verschiedener Wellenformen segmentiert werden kann. Mit den Treibern von Spectrum sind Datenübertragungsraten von 2,8 GB/s erreichbar, und bis zu acht Karten können bei Bedarf synchronisiert werden. Mit der zusätzlichen DDS-Firmware erzeugen die PC-Karten bis zu 20 individuelle Sinusfrequenzen auf einem Kanal. Mit nur wenigen Befehlen können bei jedem DDS-Träger die Frequenz, Amplitude, Phase sowie Frequenz- und Amplitudenrampen programmiert werden. Die ultraschnellen Änderungen der Sinuswellen mit einem Abstand von nur 6,4 ns sind der Schlüssel, um viele Qubits anzusprechen und komplexere Quantenschaltungen zu verwirklichen. Für die Entwickler bei eleQtron war die DDS-Technologie die Lösung zur Umsetzung ihres Konzepts. Sie berichten außerdem von der hervorragenden Unterstützung, die sie von Spectrum erhielten, von der Qualität der Dokumentation bis hin zu schnellen Problemlösungen direkt von den Spectrum-Ingenieuren.
