Generatori di forme d'onda di Spectrum per la start-up eleQtron
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La tecnologia DDS consente di controllare gli ioni per il calcolo quantistico tramite microonde

Gli scienziati quantistici di tutto il mondo stanno cercando di migliorare i computer quantistici per renderli più affidabili e potenti. La start-up tedesca eleQtron commercializza computer quantistici innovativi che utilizzano radiazioni a microonde invece dei laser per controllare i singoli qubit di ioni intrappolati, il che porta a un design più semplice e a un consumo energetico e a una necessità di raffreddamento molto inferiori. Questo grande passo è stato possibile grazie all´utilizzo dei generatori di forme d'onda arbitrarie (AWG) di Spectrum Instrumentation, che sfruttano la tecnologia avanzata della sintesi digitale diretta (DDS) con un massimo di 20 segnali sinusoidali per uscita per eseguire le operazioni quantistiche. L'eccezionale processore quantistico Magic di eleQtron utilizza radiazioni a microonde che consentono di ridurre i consumi energetici e le necessità di raffreddamento

Pubblicato il 21 ottobre 2025

La società eleQtron, uno spin-off dell’Università di Siegen, ha recentemente consegnato un computer quantistico che sfrutta i propri processori quantistici brevettati Magic (MAgnetic Gradient Induced Coupling). I processori Magic si differenziano dagli altri modelli di processori quantistici perché utilizzano radiazioni a microonde, anziché laser, per controllare e manipolare i qubit.

L’ablazione laser viene inizialmente utilizzata in un ambiante ad alto vuoto per creare una stringa di ioni itterbio (171Yb+). Questo processo permette di costruire una stringa di fino a 30 ioni in un singolo registro, ciascuno dei quali funziona come un qubit. La chiave per implementare gli algoritmi quantistici è l’utilizzo di un campo magnetico e di un campo elettrico oscillante per generare una trappola di Paul (trappola ionica quadripolare). Molti progetti utilizzano un laser in questa fase per controllare e manipolare i qubit, preparandoli all’esecuzione di porte quantistiche. Tali laser, tuttavia, devono essere eccezionalmente precisi nel mirare ogni singolo ione e hanno requisiti di potenza elevati.

In confronto, le microonde sono tecnicamente più semplici e richiedono circa un quinto della potenza.

Una sorgente oscillante ad alta frequenza e l’uscita della scheda DDS di Spectrum vengono combinate utilizzando un mixer a banda laterale singola (SSB), generando un segnale intorno ai 12,64 GHz. Grazie all’effetto Zeeman derivante dal campo magnetico, ogni ione può essere ‘indirizzato’ modulando il segnale con delta da 3 a 5 MHz, il che offre una bassa diafonia e si integra perfettamente con le trappole ioniche basate su chip.

La scheda DDS genera il segnale multitono necessario per implementare il controllo e la manipolazione individuali dei qubit.

Il computer quantistico eleQtron utilizza diversi processori Magic

Gli scienziati di eleQtron hanno contattato Spectrum Instrumentation quando hanno raggiunto i limiti del loro hardware esistente per la generazione di segnali arbitrari. I segnali generati devono essere modificati in ampiezza, offset di fase, durata dell’impulso e frequenza per controllare correttamente ogni qubit. Ciò aiuta a ottenere la frequenza di Rabi desiderata, che determina la velocità delle operazioni quantistiche. Ma tali requisiti pongono notevoli esigenze al generatore di forme d’onda arbitrarie.

Il bestseller tra gli scienziati quantistici: il generatore di forme d’onda arbitrarie M4i.6631 di Spectrum Instrumentation è in grado di creare praticamente qualsiasi forma d’onda. In modalità DDS, la scheda genera fino a 20 portanti sinusoidali indipendenti per canale, per garantire un controllo rapido e semplice degli esperimenti.

Al team eleQtron è stato suggerito l’utilizzo della famiglia di generatori di forme d’onda arbitrarie M4i.66xx a 16 bit, una linea di strumenti ben nota nella comunità dei ricercatori quantistici di tutto il mondo.

Queste schede PCIe offrono uno, due o quattro canali sincroni con una velocità di uscita fino a 1,25 GS/s e un’ampia memoria integrata, che può essere segmentata per riprodurre diverse forme d’onda. Con i driver ottimizzati di Spectrum, è possibile raggiungere velocità di trasferimento dati di 2,8 GB/s e, se necessario, sincronizzare fino a otto schede. Con il firmware DDS aggiuntivo, le uscite consentono di utilizzare fino a 20 nuclei per la creazione di segnali sinusoidali per canale.

Ogni nucleo di segnale DDS può essere programmato per frequenza, ampiezza, fase, pendenza di frequenza e pendenza di ampiezza con pochi comandi, il che porta a cambiamenti ultraveloci sui nuclei sinusoidali con una risoluzione di 6,4 ns. Ciò aiuta ad indirizzare più qubit e consente di ottenere maggiore flessibilità nella progettazione dei processori quantistici per implementare circuiti quantistici più complessi. Per il team eleQtron, la soluzione DDS è stata fondamentale per la realizzazione della loro architettura di elaborazione quantistico. Hanno anche riferito dell’eccezionale supporto ricevuto da Spectrum, dalla qualità della documentazione alla rapida risposta da parte degli stessi ingegneri progettisti degli strumenti.

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