Проектування надпровідних квантових пристроїв представляє значну проблему, яка часто вимагає кропітких посібників для досягнення бажаних характеристик продуктивності, але новий підхід обіцяє різко прискорити цей процес. Axel M. Eriksson, Lukas J. Spiledthoff та Harsh Vardhan Upadhyay, поряд зі своїми колегами, розробили метод автоматизованої оптимізації, який використовує моделі, поінформовані фізики, щоб керувати проектуванням цих складних схем. Ця методика значно знижує потребу в ітеративних електромагнітних моделюваннях та ручному втручанні, що дозволяє дослідникам ефективно орієнтуватися на конкретні параметри, такі як частоти режиму та сильні сторони. Поєднуючи симуляцію високої то точності з гнучким пакетом Python з відкритим кодом під назвою QdesignoPtimizer, команда надає потужний інструмент не лише для просування квантових технологій, але і для вирішення широкого спектру нелінійних проблем оптимізації в різних наукових та технологічних галузях.

Оптимізація конструкції суперпровідної схеми в даний час спирається на трудомісткі електромагнітні моделювання, що вимагає ручного втручання. Ці втручання, як правило, включають коригування дизайнерських змінних, таких як довжини резонатора або енергії Josephson Junction, щоб відповідати цільовим параметрам, включаючи частоти режиму, швидкість розпаду та сильні сторони з’єднання. У цьому дослідженні представлений метод ефективного автоматизації оптимізації надпровідних схем, значно зменшуючи потребу в ручному втручанні та прискорюванні процесу проектування. Ефективність методу виникає внаслідок використання визначених користувачем фізичними, неінформованими, нелінійними моделями, які спрямовують оновлення параметрів до потрібних цільових значень, пропонуючи більш обтічний та інтелектуальний підхід до конструкції схеми.

Суперпровідні інструменти дизайну, моделювання та виготовлення та виготовлення

Цей документ надає всебічний огляд надпровідної конструкції, оптимізації та управління, призначеного для дослідників та інженерів, які працюють у квантових обчисленнях. У ньому детально описані різні аспекти – від фундаментальних принципів проектування до передових методів оптимізації та стратегій управління. Поле виграє від зростаючої екосистеми інструментів для дизайну, моделювання та виготовлення Qubit, включаючи інструменти для макета, такі як GDSFACTORY та KQCIRCUITS, такі симулятори, як ANSYS, та затверджені бази даних дизайну, такі як загони. Принципово важливо, що документ підкреслює важливість затверджених баз даних дизайну та моделювання робочих процесів для забезпечення надійної продуктивності Qubit.

Текст фокусується на трансмоні та флюксонієвих кубітах, детально описуючи їх властивості та механізми управління. Обговорюються різні методи управління, включаючи мікрохвильову печі для маніпуляції з QUBIT, налаштовані з’єднувачі для впровадження двократних воріт, крос-резонансних воріт для заплутування та параметричного управління, що використовують елементи нелінійних ланцюгів. У документі також детально описані процедури оптимізації та калібрування, включаючи методи систематичного налаштування параметрів Qubit та мінімізацію помилок, таких як перехрестя. Методи пом'якшення помилок також досліджуються, щоб зменшити вплив помилок на квантові обчислення, поряд із квантуванням енергії для розуміння та оптимізації поведінки Qubit.

У документі висвітлюються постійні виклики у створенні та контролі складних квантових систем, включаючи перехресну складність, декогерентність та складність калібрування. Він наголошує на необхідності високоточні двосторонні ворота з мінімальними залишковими взаємодіями, деталізуючи сполучення ZZ та стратегії придушення небажаних взаємодій. Загалом, документ малює картину швидко розвивається поля, де складні інструменти, вдосконалені методи управління та суворі процедури оптимізації мають важливе значення для побудови та масштабування надпровідних квантових комп'ютерів. Зростаюча доступність інструментів з відкритим кодом та затверджених баз даних дизайну сприяє співпраці та прискорює прогрес у цій галузі.

Автоматизована конструкція квантової схеми через нелінійні моделі

Дослідники розробили новий метод автоматизації проектування надпровідних квантових схем, що значно зменшує потребу в ручному втручанні під час процесу оптимізації. Цей інноваційний підхід використовує нелінійні моделі, поінформовані фізики, для керування оновленнями параметрів, ефективно сходяться до потрібних специфікацій цільових для таких параметрів, як частоти режиму та сильні сторони з’єднання. Реалізація команди, випущена як пакет Python з відкритим кодом QdesignoPtimizer, поєднує в собі електромагнітне моделювання високої точності, виконані в ANSYS HFS з аналізом коефіцієнта участі енергії, інтегрованим із інструментом дизайну -etal. Ядро цього методу, що називається приблизною нелінійною оптимізацією на основі моделі (ANMOD), спирається на встановлення залежності між проектними змінними та цільовими параметрами за допомогою визначених користувачем нелінійними моделями.

Ітеративно оновлюючи дизайнерські змінні на основі цих моделей, система має на меті мінімізувати розбіжності між імітованими та цільовими значеннями параметрів. Тести демонструють, що метод ANMOD ефективно сходяться на оптимальні конструкції, досягаючи точного контролю параметрів через кожну ітерацію процесу оптимізації. Рамка підтримує модульний та гнучкий аналіз на рівні підсистеми, що забезпечує легке розширення для оптимізації додаткових параметрів та адаптації до складних системних конструкцій. Процес оптимізації починається з визначення дизайнерських змінних, цільових параметрів та приблизних фізичних зв’язків між ними.

Потім система імітує поточну конструкцію, витягує значення параметрів та оновлює змінні проектування, щоб мінімізувати різницю між імітованими та цільовими значеннями. Функція витрат, мінімізована в кожній ітерації, залежить від попередніх значень параметрів, цільових значень та проектних змінних, що забезпечує ефективну конвергенцію. Дослідники можуть гнучко включати або виключати параметри з оптимізації без переписування інших відносин, підвищуючи пристосованість системи. Цей автоматизований підхід обіцяє прискорити розробку складних квантових схем та розширити сферу досягнення досяжних конструкцій.

Автоматизована конструкція Qubit за допомогою електромагнітного моделювання

Дослідження представляє нову рамку оптимізації, QDesignoPtimizer, розроблений для автоматизації процесу проектування надпровідних квантових пристроїв. Ця система інтегрує точні електромагнітні моделювання з визначеними користувачем моделями, поінформованими, що забезпечує ефективну багатопараметну оптимізацію пристроїв Qubit. Метод демонструє підвищення ефективності досліджень, дозволяючи без нагляду оптимізації, скорочуючи час та зусилля, необхідні для складних модифікацій дизайну та повторної оптимізації. В даний час рамка інтегрована з існуючими інструментами, такими як Qiskit-Metal та Pyepr, і підтримує як власне моделювання, так і моделювання ємності, включаючи похідні цілі, такі як швидкість розпаду Qubit та резонаторне з'єднання.

Хоча процес оптимізації не скорочує час, необхідний для базового електромагнітного моделювання, він суттєво впорядковує загальний робочий процес проектування. Автори визнають, що нинішня реалізація не стосується моделювання розсіювання-параметра, а майбутня робота буде зосереджена на розширенні рамок, щоб включити цю можливість, а також додавання подальших похідних цільових параметрів. Важливо, що метод основної оптимізації широко застосовний і може бути адаптований для використання з іншими типами моделювання та нелінійними системами поза квантовими пристроями.