By Autor Invitado publicado el 16 abr 2024
Equipos globales han dominado el diseño de computadoras cuánticas a pequeña escala y están acelerando los esfuerzos para escalar plataformas con qubits agregados para mejorar la potencia computacional y amplificadores cuánticos para mejorar la fidelidad. Sin embargo, la ampliación de los sistemas cuánticos aumenta la complejidad del diseño más allá de las capacidades de los flujos de trabajo de diseño cuántico típicos. Estos flujos de trabajo, que dependen de herramientas puntuales separadas para tareas como esquemas, diseño, simulación electromagnética y secuencias de comandos Python personalizadas para la integración, presentan desafíos para una gestión eficiente. Keysight QuantumPro llega justo a tiempo y ofrece un flujo de trabajo integrado para el diseño de computadoras cuánticas superconductoras.
Ir a donde van los fotones con mejor rendimiento
¿Por qué el diseño cuántico no debería parecerse más al diseño de un teléfono móvil? Las disciplinas digitales y de RF cuentan con herramientas EDA para crear diseños de chips, paquetes y placas, explorar cada parte de un diseño, realizar ajustes basados en datos y volver a simular desde el nivel del circuito al sistema para optimizarlo en un flujo de trabajo fluido.
“Ir a donde van los fotones” para las computadoras cuánticas (Figura 1) tiene una diferencia crucial para los diseñadores cuánticos: los métodos de paso y replicación no terminan el trabajo. Las operaciones cuánticas exitosas dependen de elecciones de diseño precisas que crean frecuencias de resonancia únicas dentro y entre qubits cercanos: la superposición de dos o más frecuencias de resonancia conduce a resultados de acoplamiento cruzado impredecibles y una falla de rendimiento, que a menudo se descubre de la manera más difícil en pruebas criogénicas de prototipos. Los diseñadores cuánticos también deben preocuparse por el ruido a temperaturas criogénicas, la inductancia cinética, los efectos de amplificador cuántico no lineal y más.
Figura 1. Comparación de tareas de diseño, modelado y análisis entre el diseño de RF y el diseño cuántico
El modelado eficiente a nivel de sistema y la exploración de diseño virtual son cruciales para mitigar los riesgos y costos asociados con posibles fallas de rendimiento. Los diseñadores cuánticos experimentados pueden crear flujos de trabajo semiautomáticos utilizando varias herramientas y scripts, que funcionan sin problemas cuando todo sale según lo planeado. Sin embargo, encontrar problemas conduce a un proceso engorroso de retroceder, volver a ejecutar scripts, ajustar formatos y, potencialmente, introducir errores, lo que consume un valioso tiempo de diseño.
Extracción automatizada de parámetros cuánticos mediante varios métodos.
QuantumPro integra cinco funciones (Figura 2) en un paquete creado en Keysight Advanced Design System (ADS) para el diseño perfecto de qubits superconductores y amplificadores cuánticos. Comenzando con una interfaz esquemática, los usuarios pueden arrastrar y soltar componentes sin esfuerzo desde las obras de arte cuánticas incorporadas. Los diseños se pueden generar automáticamente a partir de esquemas y luego se lleva a cabo la simulación electromagnética en QuantumPro con extracción automática de parámetros cuánticos.
Figura 2. Cinco funciones perfectamente integradas en el flujo de trabajo de QuantumPro
Los diseñadores ganan confianza en los resultados con el acceso a múltiples solucionadores electromagnéticos en QuantumPro. El análisis EM completo ejecuta los solucionadores del método de elementos finitos (FEM) y del método de momentos (MoM), barriendo la frecuencia y produciendo parámetros S en los puertos de entrada y salida. El MoM resuelve solo las corrientes en la superficie del metal en lugar de en un volumen 3D, lo que reduce drásticamente los costos computacionales. Un análisis de participación energética permite encontrar modos propios del sistema utilizando el solucionador FEM. Los resultados de estos análisis pasan a la extracción automatizada de parámetros cuánticos con métodos cuasiestáticos, de cuantificación de caja negra y de índice de participación energética (EPR).
Los usuarios de QuantumPro pueden ver y comparar los resultados de la extracción de parámetros cuánticos en la misma interfaz de usuario donde existen esquemas y diseños, realizar los cambios necesarios y volver a ejecutar las extracciones inmediatamente. Los usuarios también pueden personalizar su flujo de trabajo y su interfaz de usuario utilizando scripts de Python (Figura 3), lo que facilita el salto desde cualquier flujo de trabajo cuántico semiautomático anterior.
Figura 3. Las secuencias de comandos Python ayudan a los usuarios a personalizar el entorno QuantumPro
Seguir el ritmo de las tecnologías de diseño cuántico emergentes
Los desarrolladores de Keysight ya están trabajando en dos novedades recientes en diseño cuántico de vanguardia:
- Tecnología cuántica multicapa, que escala qubits colocando el chip verticalmente en el mismo espacio,
- Amplificadores paramétricos de onda viajera Josephson (JTWPA), con elementos dispuestos a lo largo de un camino estrecho y serpenteante.
Ambos ofrecen desafíos únicos con estructuras más grandes y modelos más complejos. QuantumPro admite diseños multicapa y acabamos de lanzar ADS2024U2 con nuevos componentes de arte cuántico que ayudarán a los diseñadores en el diseño de JTWPA (Figura 4).
Figura 4. Ejemplos de tecnología cuántica multicapa (izquierda) y diseño JTWPA (derecha) en ADS
La escalabilidad de las computadoras cuánticas dependerá en última instancia de la previsibilidad del diseño. El flujo de trabajo de diseño cuántico automatizado y fluido de QuantumPro facilita centrar los esfuerzos en la creación de diseños de amplificadores cuánticos y qubits optimizados y predecibles en lugar de gestionar múltiples herramientas y conversiones EDA. Los diseñadores cuánticos actuales y potenciales pueden obtener más información en línea:
Quantum EDA: ciclos de diseño más rápidos de qubits superconductores
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- Fuente: https://www.insidequantumtechnology.com/news-archive/automated-quantum-design-workflow-handles-higher-complexity-by-mohamed-hassan-keysight-technologies/
