By Autor convidado publicado em 16 de abril de 2024
Equipes globais dominaram o design de computadores quânticos em pequena escala e estão acelerando os esforços para dimensionar plataformas com qubits adicionais para maior poder computacional e amplificadores quânticos para maior fidelidade. No entanto, a ampliação dos sistemas quânticos aumenta a complexidade do design além das capacidades dos fluxos de trabalho típicos de design quântico. Esses fluxos de trabalho, que contam com ferramentas pontuais separadas para tarefas como esquemas, layout, simulação eletromagnética e scripts Python personalizados para integração, apresentam desafios para um gerenciamento eficiente. O Keysight QuantumPro chega bem a tempo, trazendo um fluxo de trabalho integrado para o projeto de computadores quânticos supercondutores.
Indo aonde os fótons vão com melhor rendimento
Por que o design quântico não deveria se parecer mais com o design de um telefone celular? As disciplinas digitais e de RF têm ferramentas EDA para criar layouts de chips, pacotes e placas, explorar cada parte de um projeto, fazer ajustes com base em dados e simular novamente do nível do circuito ao sistema para otimização em um fluxo de trabalho contínuo.
“Ir aonde vão os fótons” para computadores quânticos (Figura 1) apresenta uma diferença crucial para os projetistas quânticos: os métodos passo a passo e de replicação não terminam o trabalho. As operações quânticas bem-sucedidas dependem de escolhas de design precisas que criam frequências de ressonância únicas dentro e entre qubits próximos – a sobreposição de duas ou mais frequências de ressonância leva a resultados imprevisíveis de acoplamento cruzado e a uma falha de rendimento, muitas vezes descoberta da maneira mais difícil em testes criogênicos de protótipos. Os projetistas quânticos também devem se preocupar com ruído em temperaturas criogênicas, indutância cinética, efeitos de amplificadores quânticos não lineares e muito mais.
Figura 1. Painel do Comparando tarefas de projeto, modelagem e análise entre projeto de RF e projeto quântico
A modelagem eficiente no nível do sistema e a exploração do projeto virtual são cruciais para mitigar riscos e custos associados a possíveis falhas de rendimento. Designers quânticos experientes podem criar fluxos de trabalho semiautomáticos usando várias ferramentas e scripts, que funcionam perfeitamente quando tudo corre conforme planejado. No entanto, encontrar problemas leva a um processo complicado de retrocesso, reexecução de scripts, ajuste de formatos e possível introdução de erros, consumindo um tempo valioso de design.
Extração automatizada de parâmetros quânticos usando vários métodos
QuantumPro integra cinco funções (Figura 2) em um pacote construído no Keysight Advanced Design System (ADS) para o design perfeito de qubits supercondutores e amplificadores quânticos. Começando com uma interface esquemática, os usuários podem arrastar e soltar facilmente componentes das obras de arte quânticas integradas. Os layouts podem ser gerados automaticamente a partir de esquemas e, em seguida, a simulação eletromagnética é realizada no QuantumPro com extração automática de parâmetros quânticos.
Figura 2. Painel do Cinco funções perfeitamente integradas ao fluxo de trabalho do QuantumPro
Os projetistas ganham confiança nos resultados com acesso a vários solucionadores eletromagnéticos no QuantumPro. O Full EM Analysis executa os solucionadores do método dos elementos finitos (FEM) e do método dos momentos (MoM), varrendo a frequência e produzindo parâmetros S nas portas de entrada e saída. O MoM resolve apenas correntes na superfície do metal, em vez de um volume 3D, reduzindo custos computacionais. Uma Análise de Participação Energética permite encontrar modos próprios do sistema usando o solucionador FEM. Os resultados dessas análises passam para a extração automatizada de parâmetros quânticos com métodos quase estáticos, quantização de caixa preta e taxa de participação de energia (EPR).
Os usuários do QuantumPro podem ver e comparar os resultados da extração de parâmetros quânticos na mesma interface de usuário onde existem esquemas e layouts, fazer as alterações necessárias e executar novamente as extrações imediatamente. Os usuários também podem personalizar seu fluxo de trabalho e interface de usuário usando scripts Python (Figura 3), facilitando a transição de qualquer fluxo de trabalho quântico semiautomático anterior.
Figura 3. Painel do O script Python ajuda os usuários a personalizar o ambiente QuantumPro
Acompanhando as tecnologias emergentes de design quântico
Os desenvolvedores da Keysight já estão trabalhando em duas novidades recentes em design quântico de ponta:
- Tecnologia quântica multicamadas, dimensionando qubits colocando o chip verticalmente na mesma área,
- Amplificadores paramétricos de ondas viajantes Josephson (JTWPAs), com elementos dispostos ao longo de um caminho sinuoso e estreito.
Ambos oferecem desafios únicos com estruturas maiores e modelos mais complexos. Layouts multicamadas são suportados no QuantumPro e acabamos de lançar o ADS2024U2 com novos componentes de arte quântica que ajudarão os designers no layout de JTWPAs (Figura 4).
Figura 4. Painel do Exemplos de tecnologia quântica multicamadas (esquerda) e layout JTWPA (direita) em ADS
A escalabilidade do computador quântico dependerá, em última análise, da previsibilidade do projeto. O fluxo de trabalho de design quântico automatizado e contínuo no QuantumPro torna mais fácil concentrar esforços na criação de designs otimizados e previsíveis de amplificadores quânticos e qubits, em vez de gerenciar várias ferramentas e conversões de EDA. Os designers quânticos atuais e potenciais podem aprender mais online:
Quantum EDA: Ciclos de design mais rápidos de qubits supercondutores
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- Fonte: https://www.insidequantumtechnology.com/news-archive/automated-quantum-design-workflow-handles-higher-complexity-by-mohamed-hassan-keysight-technologies/
