I team globali hanno padroneggiato la progettazione di computer quantistici su piccola scala e stanno accelerando gli sforzi per scalare le piattaforme con l’aggiunta di qubit per una maggiore potenza di calcolo e amplificatori quantistici per una migliore fedeltà. Tuttavia, l’espansione dei sistemi quantistici aumenta la complessità della progettazione oltre le capacità dei tipici flussi di lavoro di progettazione quantistica. Questi flussi di lavoro, che si basano su strumenti puntuali separati per attività quali schemi, layout, simulazione elettromagnetica e script Python personalizzati per l'integrazione, presentano sfide per una gestione efficiente. Keysight QuantumPro arriva giusto in tempo, portando un flusso di lavoro integrato per la progettazione di computer quantistici superconduttori.

Andare dove vanno i fotoni con una resa migliore

Perché il design quantistico non dovrebbe assomigliare di più al design dei telefoni cellulari? Le discipline RF e digitali dispongono di strumenti EDA per creare layout di chip, package e schede, esplorare ogni parte di un progetto, apportare modifiche basate sui dati e simulare nuovamente dal livello del circuito a quello del sistema per l'ottimizzazione in un flusso di lavoro continuo. 

“Vai dove vanno i fotoni” per i computer quantistici (Figura 1) presenta una differenza cruciale per i progettisti quantistici: i metodi di passaggio e replicazione non portano a termine il lavoro. Il successo delle operazioni quantistiche si basa su scelte progettuali precise che creano frequenze di risonanza uniche all'interno e tra qubit vicini: la sovrapposizione di due o più frequenze di risonanza porta a risultati imprevedibili di accoppiamento incrociato e a un fallimento della resa, spesso scoperto nel modo più duro nei test criogenici dei prototipi. I progettisti quantistici devono anche preoccuparsi del rumore a temperature criogeniche, dell’induttanza cinetica, degli effetti dell’amplificatore quantistico non lineare e altro ancora.

Immagine 1. Confronto delle attività di progettazione, modellazione e analisi tra progettazione RF e progettazione quantistica

Una modellazione efficiente a livello di sistema e l’esplorazione virtuale della progettazione sono cruciali per mitigare i rischi e i costi associati a potenziali problemi di rendimento. I progettisti quantistici esperti possono creare flussi di lavoro semi-automatizzati utilizzando vari strumenti e script, che funzionano senza problemi quando tutto va come previsto. Tuttavia, riscontrare problemi porta a un complicato processo di loopback, riesecuzione di script, regolazione dei formati e potenziale introduzione di errori, consumando tempo prezioso di progettazione.

Estrazione automatizzata dei parametri quantistici utilizzando vari metodi

QuantumPro integra cinque funzioni (Figura 2) in un pacchetto basato su Keysight Advanced Design System (ADS) per la progettazione perfetta di qubit superconduttori e amplificatori quantistici. A partire da un'interfaccia schematica, gli utenti possono facilmente trascinare e rilasciare i componenti dalle opere d'arte quantistiche integrate. I layout possono essere generati automaticamente dagli schemi, quindi la simulazione elettromagnetica viene eseguita in QuantumPro con l'estrazione automatica dei parametri quantistici. 

Immagine 2. Cinque funzioni perfettamente integrate nel flusso di lavoro QuantumPro

I progettisti acquisiscono fiducia nei risultati grazie all'accesso a più solutori elettromagnetici in QuantumPro. L'analisi EM completa esegue i solutori del metodo degli elementi finiti (FEM) e del metodo dei momenti (MoM), analizzando la frequenza e producendo parametri S nelle porte di ingresso e uscita. Il MoM risolve solo le correnti sulla superficie metallica invece che su un volume 3D, riducendo i costi computazionali. Un'analisi di partecipazione energetica consente di trovare modi propri del sistema utilizzando il risolutore FEM. I risultati di queste analisi passano all'estrazione automatizzata dei parametri quantistici con metodi quasi-statici, di quantizzazione a scatola nera e di rapporto di partecipazione energetica (EPR). 

Gli utenti di QuantumPro possono vedere e confrontare i risultati dell'estrazione dei parametri quantistici nella stessa interfaccia utente in cui esistono schemi e layout, apportare le modifiche necessarie ed eseguire nuovamente le estrazioni immediatamente. Gli utenti possono anche personalizzare il proprio flusso di lavoro e l'interfaccia utente utilizzando gli script Python (Figura 3), semplificando il salto da qualsiasi precedente flusso di lavoro quantistico semiautomatizzato.

Immagine 3. Lo scripting Python aiuta gli utenti a personalizzare l'ambiente QuantumPro

Tenere il passo con le tecnologie emergenti di progettazione quantistica

Gli sviluppatori di Keysight sono già al lavoro su due recenti arrivi nella progettazione quantistica all'avanguardia: 

• Tecnologia quantistica multistrato, scalabilità dei qubit disponendo il chip verticalmente nello stesso ingombro, 
• Amplificatori parametrici a onde viaggianti Josephson (JTWPA), con elementi disposti lungo uno stretto percorso tortuoso.

Entrambi offrono sfide uniche con strutture più grandi e modelli più complessi. I layout multistrato sono supportati in QuantumPro e abbiamo appena rilasciato ADS2024U2 con nuovi componenti di grafica quantistica che aiuteranno i progettisti nel layout dei JTWPA (Figura 4).

Immagine 4. Esempi di tecnologia quantistica multistrato (a sinistra) e layout JTWPA (a destra) in ADS

La scalabilità dei computer quantistici dipenderà in ultima analisi dalla prevedibilità della progettazione. Il flusso di lavoro di progettazione quantistica automatizzato e senza soluzione di continuità in QuantumPro semplifica la concentrazione degli sforzi sulla creazione di progetti di qubit e amplificatori quantistici ottimizzati e prevedibili invece di gestire più strumenti e conversioni EDA. I progettisti quantistici attuali e futuri possono saperne di più online:

EDA quantistico: cicli di progettazione più rapidi di qubit superconduttori

W3037E PathWave QuantumPro

Categorie:
sicurezza informatica, reti, calcolo quantistico, Sponsored

Tag:
Keysight, Mohamed Hassan, Quantico Pro

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• Fonte: https://www.insidequantumtechnology.com/news-archive/automated-quantum-design-workflow-handles-higher-complexity-by-mohamed-hassan-keysight-technologies/