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Les scientifiques du monde entier cherchent à améliorer les ordinateurs quantiques afin qu’ils gagnent en fiabilité et en puissance. La start-up allemande eleQtron commercialise des ordinateurs quantiques révolutionnaires qui remplacent l’utilisation de lasers par un rayonnement micro-ondes afin de contrôler individuellement les qubits ioniques piégés. Ce qui permet de simplifier la conception et de réduire considérablement les besoins de refroidissement ainsi que la consommation d’énergie. Cette avancée majeure est rendue possible grâce aux générateurs de formes d’ondes arbitraires (AWG) de Spectrum Instrumentation qui utilisent la technologie DDS (Direct Digital Synthesis) pour délivrer jusqu’à 20 porteuses sinusoïdales par sortie afin d’effectuer les opérations quantiques.

Le processeur quantique MAGIC d’eleQtron met en œuvre des micro-ondes. Ce qui permet de réduire les besoins de refroidissement et la consommation d’énergie. La société eleQtron, spin-off de l’Université de Siegen, a récemment livré un ordinateur quantique intégrant ses processeurs quantiques MAGIC (MAgnetic Gradient Induced Coupling). Ce processeur breveté se différencie des autres conceptions de processeurs quantiques par la mise en œuvre d’un rayonnement micro-ondes, au lieu de lasers, pour contrôler et manipuler les qubits. L’ablation laser sous vide poussé est la technique habituellement utilisée pour créer une chaîne d’ions d’ytterbium (171Yb+). Ce procédé permet de construire une chaîne pouvant contenir jusqu’à 30 ions dans un seul registre, chacun fonctionnant comme un qubit. La clé de la mise en œuvre des algorithmes quantiques réside dans l’utilisation d’un champ magnétique et d’un champ électrique oscillant pour générer un piège de Paul (piège à ions quadripolaire). De nombreuses conceptions utilisent un laser pour contrôler et manipuler les qubits, les préparant ainsi à l’exécution des portes quantiques. Cependant, ces lasers doivent être d’une exceptionnelle précision et de forte puissance pour cibler individuellement chaque ion. L’utilisation de micro-ondes est techniquement plus simple à mettre en œuvre et nécessite une moindre puissance (environ un cinquième de celle nécessaire à un laser). Une source d’oscillation haute fréquence et le canal de sortie de la carte DDS de Spectrum sont combinées à l’aide d’un mélangeur SSB (single sideband) afin de générer un signal à la fréquence de 12,64 GHz. Grâce à l’effet Zeeman résultant du champ magnétique, chaque ion peut être adressé en modulant le signal par deltas de 3 à 5 MHz. Cette technique, qui permet d’obtenir une faible diaphonie, s’intègre parfaitement aux pièges à ions sur puce. La carte DDS génère le signal multi-tons nécessaire au contrôle et à la manipulation individuels des qubits.

L’ordinateur quantique d’eleQtron exploite plusieurs processeurs MAGIC. Les scientifiques d’eleQtron ont fait appel à Spectrum Instrumentation lorsque leur solution de génération de signaux arbitraires ne répondait plus à leurs exigences. Les signaux générés doivent pouvoir être modifiés en amplitude, déphasage, longueur d’impulsion et fréquence afin de contrôler correctement chaque qubit. Cela permet d’atteindre la fréquence Rabi souhaitée, qui détermine la vitesse des opérations quantiques. Cependant, ces exigences imposent au générateur de formes d’ondes arbitraires (AWG) des caractéristiques très spécifiques. Best-seller dans le secteur de la physique quantique : le générateur de signaux arbitraires de la série M4i.6631 de Spectrum Instrumentation peut délivrer pratiquement n’importe quelle forme d’onde. En mode DDS, la carte génère jusqu’à 20 porteuses sinusoïdales indépendantes par canal afin d’assurer facilement et rapidement le contrôle des expériences.

Les cartes de génération de formes d’onde arbitraires sur 16 bits de la série M4i.66xx ont été recommandées à l’équipe eleQtron. Il s’agit d’une gamme d’instruments réputée au sein de la communauté internationale des chercheurs dans le domaine de la physique quantique. Ces cartes au format PCIe sont dotées d’un, deux ou quatre canaux synchrones offrant une capacité de transmission de données pouvant atteindre 1,25 Géch./s, ainsi qu’une importante profondeur mémoire embarquée segmentable afin de reproduire différentes formes d’onde. Grâce aux pilotes optimisés de Spectrum, les débits de transmission de données atteignent 2,8 Go/s. Jusqu’à huit cartes peuvent être synchronisées si besoin. Grâce au micrologiciel DDS, les sorties permettent d’utiliser jusqu’à 20 cœurs sinusoïdaux sur une voie. Chaque cœur DDS peut être programmé, en quelques commandes seulement, en fréquence, amplitude, phase, pente de fréquence et pente d’amplitude. Ce qui permet d’effectuer très rapidement des modifications sur les cœurs sinusoïdaux avec une résolution de 6,4 ns. Cela offre la possibilité de traiter davantage de qubits et la flexibilité requise pour concevoir des processeurs quantiques implémentant des circuits quantiques plus complexes. La solution DDS a été la clé de voûte du concept de l’équipe d’eleQtron qui souligne l’excellent soutien que leur a fourni Spectrum ainsi que la qualité de la documentation et la réactivité des ingénieurs concepteurs.

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