Quantum computers have emerged as a candidate for a trans formative technology with the potential to revolutionise va rious fields, from cryptography to drug discovery. Among the different types of quantum computers, ion trap-based systems have garnered significant attention due to their long coherence times and high-fidelity operations. In this article, we would like to scratch the surface of the quantum computing stack, focusing on ion-trap gate-based universal quantum computers as an example.
PL
Obliczenia kwantowe wyłoniły się jako kandydat technologii transformacyjnej, która może zrewolucjonizować różne dziedziny od kryptografii po syntezę leków. Spośród różnych typów komputerów kwantowych, systemy oparte na pułapkach jono wych cieszą się dużym zainteresowaniem ze względu na długie czasy koherencji i wysoką dokładność. W tym artykule chcieli byśmy przybliżyć temat stosu obliczeń kwantowych, skupiając się na przykładzie uniwersalnych bramkowych komputerów kwantowych opartych o pułapki jonowe.
The AEgIS experiment at CERN recently decided to adopt a con trol system solution based on the Sinara/ARTIQ open hardwa re and software infrastructure. This decision meant to depart from the previously used paradigm of custom-made electronics and software to control the experiment’s equipment. Instead, adopting a solution with long-term support and used in many quantum physics experiments guarantees a vivid community using similar infrastructures. This transition reduces the risks and development timeline for integrating new equipment seam lessly within the setup. This work reviews the motivation, the setup, and the chosen hardware and presents several planned further steps in developing the control system.
PL
Eksperyment AEgIS w CERN niedawno podjął decyzję o przyjęciu rozwiązania systemu kontroli opartego na infrastrukturze otwarte go sprzętu i oprogramowania Sinara/ARTIQ. Ta decyzja oznacza odejście od dotychczasowego paradygmatu wykorzystywania spersonalizowanej elektroniki i oprogramowania do sterowania sprzętem eksperymentu. Zamiast tego, przyjęcie rozwiązania za pewniającego długoterminowe wsparcie i stosowanego w szeregu eksperymentów z fizyki kwantowej gwarantuje aktywną społecz ność korzystającą z podobnych infrastruktur. Ta przemiana zmniej sza ryzyko oraz skraca terminy rozwoju w celu bezproblemowej integracji nowego sprzętu w konfiguracji. Niniejsza praca analizuje motywację, konfigurację, wybrane elementy sprzętu oraz prezentu je kilka planowanych kolejnych kroków w rozwoju systemu kontroli.
Sayma is an advanced hardware solution designed for scien tific experiments in the field of quantum physics, particularly those involving ion traps. It is a part of Sinara, an open-sour ce ecosystem developed by a collaboration between M-Labs, Warsaw University of Technology (WUT), US Army Research Laboratory (ARL), the University of Oxford, the University of Maryland, and NIST. Sayma provides a high-quality, modular, and flexible platform for generating arbitrary waveforms in ion trap experiments. This article provides an overview of Sayma, its features, and its components: the Sayma AMC (Advanced Mezzanine Card) and Sayma RTM (Rear Transition Module).
PL
Sayma to zaawansowane rozwiązanie sprzętowe przeznaczo ne do eksperymentów naukowych z zakresu fizyki kwantowej, w szczególności z wykorzystaniem pułapek jonowych. Jest częścią Sinara, ekosystemu open-source opracowanego we współpracy między M-Labs, Politechniką Warszawską (PW), US Army Research Laboratory (ARL), Uniwersytetem Oksfordz kim, Uniwersytetem Maryland i NIST. Sayma zapewnia wysokiej jakości, modułową i elastyczną platformę do generowania do wolnych przebiegów w eksperymentach z pułapkami jonowymi. Ten artykuł zawiera opis systemu Sayma, jego funkcji i kom ponentów: Sayma AMC (Advanced Mezzanine Card) i Sayma RTM (Rear Transition Module).
Ion trap quantum computing (QC) is a promising technology with the potential to revolutionize many fields. However, there are still many challenges that need to be overcome before ion trap quantum computers become a reality. These challenges include scaling up the number of qubits, improving the co herence time of qubits, and developing new algorithms and software. Despite these challenges, ion trap quantum computing is a promising technology with the potential to revolutionize many fields. As the technology continues to mature, it is likely that we will see significant progress in overcoming the chal lenges and building large-scale ion trap quantum computers. These computers could have a profound impact on many fields, and they could help us to solve some of the world’s most chal lenging problems.
PL
Technologia komputerów kwantowych (KK) na pułapkach jo nowych to obiecująca technologia o potencjale zrewolucjoni zowania wielu dziedzin. Jednak przed tym, jak stają się one rzeczywistością, należy pokonać wiele wyzwań. Należą do nich skalowanie liczby kwantowych bitów (kubitów), poprawa czasu koherencji kubitów i tworzenie nowych algorytmów i oprogra mowania. Mimo tych wyzwań, technologia pułapek jonowych to obiecu jąca technologia potencjalnie rewolucjonizująca wielu dzie dzin. W miarę dojrzewania technologii, prawdopodobnie uda się znacząco pokonać te wyzwania i zbudować duże, jonowe komputery kwantowe. Te komputery mogą mieć głęboki wpływ na wiele dziedzin i pomóc nam rozwiązać niektóre z najbardziej skomplikowanych problemów na świecie.
In scientific research, precise control of high voltages is crucial, particularly in ion traps and Gas Electron Multiplier (GEM) de tectors. The Sinara open hardware project addresses this need by developing a dedicated high-voltage system. The project introduces an STM32-based DIOT system board and a High Voltage Supply Board (HVSUP_ISOL) designed for non-real-time applications, providing up to +/-6kV. The HVSUP_ISOL board is fully isolated, ensuring system safety, and offers dual-channel configuration with a shared common terminal for easy casca ding. The firmware based on the MQTT protocol enables users to remotely control various settings, and telemetry data provi des insights into the system’s operation.
PL
W badaniach naukowych precyzyjna kontrola wysokich napięć jest niezwykle istotna, zwłaszcza w pułapkach jonowych i de tektorach GEM (Gas Electron Multiplier). W ramach projektu Sinara, zaprojektowany został nowy dedykowany system ge neracji i kontroli wysokich napięć. Projekt wprowadza kartę systemową DIOT opartą na układzie STM32 oraz kartę zasi lania wysokonapięciowego (HVSUP_ISOL), przeznaczoną do zastosowań nie wymagających kontroli w czasie rzeczywistym, dostarczającą napięcia do +/-6kV. Karta HVSUP_ISOL jest w pełni izolowana, zapewniając bezpieczeństwo systemu, oraz oferuje konfigurację dwukanałową z wspólnym terminalem dla łatwego kaskadowania. Oprogramowanie oparte na protokole MQTT umożliwia użytkownikom zdalną kontrolę różnych ustawień, a dane telemetrii dostarczają informacji o działaniu systemu.
Precise manipulation of matter at the atomic or molecular level has provided the path for the nanotechnological revolution impacting diverse fields such as biology, medicine, material science, quantum technologies, and electronics. At the Antiproton Decelerator facility at CERN, the AEgIS experiment utilises state-of-the-art technology to store and manipulate synthesised exotic atoms containing both matter and antimatter. Such experiments lay the groundwork for a better understanding of the fundamental interactions and hold the potential to unravel the enigma of the absence of antimatter in our universe. Additionally, the developed techniques advance the technological frontier of controlling the quantum states of ions, a critical aspect of quantum sensing and quantum computing applications.
PL
Precyzyjna manipulacja materią na poziomie atomowym lub molekularnym otworzyła drogę do rewolucji nanotechnologicznej, która ma wpływ na różne dziedziny, takie jak biologia, medycyna, materiałoznawstwo, technologie kwantowe czy elektronika. W obiekcie Antiproton Decelerator w CERN eksperyment AEgIS wykorzystuje najnowocześniejszą technologię do przechowywania i manipulowania zsyntetyzowanymi egzotycznymi atomami zawierającymi zarówno materię, jak i antymaterię. Takie eksperymenty kładą podwaliny pod lepsze zrozumienie podstawowych oddziaływań i mają potencjał do rozwiązania zagadki braku antymaterii w naszym wszechświecie. Ponadto opracowane techniki przesuwają granicę techno logiczną w zakresie kontrolowania stanów kwantowych jonów, krytycznego aspektu kwantowych zastosowań wykrywania i obliczeń kwantowych.
In this project, we propose to develop intermediate-scale quan tum computation devices and complement the hardware with device-aware compilers for the trapped-ion platform. The proj ect cross-fertilizes three critical areas: (i) ion-trap development, pushing towards segmented ion traps with low heating rates; (ii) efficient compilation of quantum algorithms into low-level instruction circuits for segmented quantum information pro cessing that enable seamless integration of qubit shuttling operations; (iii) scalable, low-noise electronic circuits devel opment for fast operation of segmented ion-trap quantum information processors at room temperature and cryogenic conditions. Developed with the long-term vision of pushing towards 1000 qubits, the realised technology will serve as a plat form to drive the European quantum computation roadmap.
PL
W tym projekcie proponujemy opracowanie urządzeń do pośred niej skali obliczeń kwantowych i uzupełnienie sprzętu kompila torami obsługującymi urządzenia dla pułapek jonowych. Projekt krzyżuje trzy kluczowe obszary: (i) rozwój pułapek jonowych, dążąc do segmentowanych pułapek jonowych o niskich szyb kościach ogrzewania; (ii) wydajna kompilacja algorytmów kwantowych do obwodów instrukcji niskiego poziomu dla segmentowanego przetwarzania informacji kwantowych, które umożliwiają bezproblemową integrację operacji przesuwania kubitów; (iii) rozwój skalowalnych, niskoszumnych obwodów elektronicznych do szybkiej pracy segmentowanych proceso rów informacji kwantowej z pułapkami jonami w temperaturze pokojowej i warunkach kriogenicznych. Opracowana technolo gia, mająca na uwadze długoterminową wizję osiągnięcia 1000 kubitów, będzie służyć jako platforma do rozwijania europejskiej ścieżki obliczeń kwantowych.
We describe Urukul, a frequency synthesizer based on direct digital synthesis (DDS), optimized for wave generate control in atomic, molecular and optical (AMO) physics experiments. The Urukul module is a part of the Sinara family of modular, open-source hardware designed for the ARTIQ quantum operating system. The Urukul has 4-channel, sub-Hz frequency resolution, controlled phase steps and accurate output amplitude control. The module is available in two population variants. This paper presents Urukul module construction and obtained characteristics.
The Sinara hardware platform is a modular, opensource measurement and control system dedicated to quantum applications that require hard real-time performance. The hardware is controlled and managed by the ARTIQ, open-source software that provides nanosecond timing resolution and submicrosecond latency. The Sampler is a general-purpose precision ADC sampling unit with programmable gain and configurable interface. It is used in numerous applications like laser frequency and intensity servo. This paper presents the Sampler module construction and obtained characteristics.
Opracowanie zawiera podstawowe informacje z dziedziny fizyki kwantowej potrzebne do zrozumienia zasad działania komputerów kwantowych i obliczeń kwantowych. Wyjaśnia od podstaw zagadnienia takie jak jednostka informacji kwantowej - kubit oraz sfera Blocha. Celem tego opracowania jest wprowadzenie do świata informatyki kwantowej osób nie będących fizykami kwantowymi, które planują zastosowanie algorytmów kwantowych w swoich badaniach naukowych
EN
The paper includes basic information over the domain of quantum physics needed to understand basic principles of calculations and operations with the use of quantum computers. Questions of the unit of quantum information – qubit, and the Bloch’s zone are thoroughly explained. The paper is aimed to be an introduction into the world of quantum IT for persons beyond the quantum physics who want to use the quantum algorithms for their scientific researches.
Pomiary częstotliwości należą do najbardziej dokładnych we współczesnej metrologii. W niniejszym opracowaniu szkicowana jest koncepcja mikroskopii sił atomowych wykorzystujących pomiar częstotliwości. Propozycja bazuje na efekcie swego rodzaju modulacji częstotliwości (FM) składowych harmonicznych drgań jonów uwięzionych w pułapkach planarnych, powodowanej zaburzeniem elektromagnetycznego pola pułapkującego. Ponadto zastosowanie jako czujników pojedynczych jonów, skaluje rozmiar tego czujnika do rozmiarów obiektu badanego.
EN
Frequency measurement is one of the most precise modern metrology methods. Our proposal for an atomic force microscope using frequency measurements is based on modulation (FM) of the harmonic oscillations of trapped ions in a planar trap, caused by perturbation of the confining electric field. The application of single ions allows scaling down the sensor to study an atomic sized object.
Istniejące mikroskopy sił atomowych operują sensorami-igłami, których pełna kwantowa kontrola utrudniona jest przez ich wieloatomową strukturę. W celu zrównania skali sensora sił do rozmiarów badanego obiektu, proponuje się w niniejszej pracy zastosowanie jonów uwięzionych w planarnej pułapce Paula jako sensora sił elektrycznych w nanoskali. Zasada działania takiego sensora bazuje na efekcie modulacji amplitudy (AM) składowych harmonicznych drgań jonów, wywołanej zaburzeniami pola elektrycznego w bliskim sąsiedztwie uwięzionych naładowanych cząstek. Koncepcja sensora jest demonstrowana na makroskopowym modelu pułapki jonowej.
EN
Present atomic force microscopes operate with a needle sensor, which full quantum control is hindered by their multiatomic structure. To scale down the sensor to an atomic sized object we propose in this report to use ions confined in planar trap to be applied as a nanoscale electric force sensor. With the use of a macroscopic model we tested the conception of such a sensor based on a kind of amplitude modulation (AM), caused by perturbation of the electric field in the vicinity of trapped charged particles, of their harmonic oscillations.
Nowatorski system tandemowej spektrometrii mas tandemowej spektrometrii mas (PTM Discovery System), oferuje użytkownikowi możliwość zastosowania dwóch różnych metod fragmentacji MS: CID (ang. – collision induced dissociation) oraz ETD (ang. – electron transfer dissociation), których wyniki doskonale się uzupełniają. Informacje uzyskane przy pomocy obu technik idealnie nadają się do analizy modyfikacji posttranslacyjnych (PTM) białek, np. fosforyzacji. Fragmentacja oparta na metodzie ETD, podobnie jak powszechnie znana metoda CID, pozwala na szybką identyfikację peptydów w połączeniu z technikami rozdziału online.
EN
A novel tandem mass spectrometry instrument (PTM Discovery System) offers the application of two different MS fragmentation techniques (i.e. collision induced dissociation, CID, and electron transfer dissociation, ETD) showing highly complementary fragmentation results. The information obtained from both techniques is ideally suited for the characterization of post translational modification (PTM), such as phosphorylation. ETD based fragmentation shows a similar short duty cycle as common CID, allowing fast peptide identification and characterization in combination with online separation techniques.
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.