当地时间3月19日,IBM Qiskit正式发布了Qiskit Metal[1],一款用于超导量子计算机的开源电子设计自动化(EDA)软件。官方表示很期待看到Qiskit Metal在这个领域即将产生的影响,毕竟,IBM Qiskit已经从早期体验者处看到了一些惊人的成果。

长期以来,设计并模拟量子器件是一个麻烦又耗时的过程,之所以说麻烦,是因为其贯穿于多个互不相连的软件套件中,Qiskit Metal的初衷之一就是能够彻底改变这一过程。

Qiskit Metal是第一个专门为量子计算机设计的EDA工具,旨在帮助社区使用预制或定制的组件,按照自己的规格,轻松创造并设计超导量子设备

IBM Qiskit希望Qiskit Metal对那些致力于改进量子比特和耦合器,或者开发新的、创造性量子技术的研究人员来说,不可或缺。他们还希望想要掌握量子硬件技术的人可以通过Qiskit Metal学习[2]。

Qiskit Metal的设计过程始于一个概念——特定设备哈密顿量所需的参数,哈密顿量是描述能量及其量子特性的算符。例如,用户可能想要构建一个具有特定量子比特频率的或量子比特间耦合的设备。归功于Qiskit Metal组件库,处理第一级布局仅需几分钟。

然后,Qiskit Metal会自动进行经典分析,以确定设备的电磁特性,再进行量子分析,以返回设备的能量本征谱(energy eigenspectrum)等信息。在这之后,用户可以将量子分析的结果与目标哈密顿量进行比较,并根据需要进行调整。

IBM Qiskit希望即便用户没有典型EDA软件背景知识,在学习使用Qiskit Metal时也较为容易。新用户可以像组装积木一样构建出设计图,而更有经验的用户则可以生产定制组件,以便设计出最先进的芯片。

IBM Qiskit期望Qiskit Metal能与超导量子计算一起全面发展,并不断融入未来量子硬件和建模方面的新进展。感兴趣的用户,可以通过Qiskit最近在arXiv上发表的有关Qiskit Metal的论文,做更加全面与深入地了解[3]。

IBM官宣:今天起,所有人都可以自己设计量子硬件了-量子客
图1|通过Qiskit Metal设计出的8量子比特芯片(来源:Qiskit)

IBM Qiskit早在去年10月,就向早期访问社区的一小部分成员发布了Qiskit Metal,以了解该工具是如何帮助这些成员的设备来设计工作流的,结果远超预期。

不论是IBM内部的研究人员,还是瑞典查尔姆斯理工大学的研究团队,甚至是韩国Qiskit黑客松的新用户都能够比以往更快地设计并分析量子处理器。他们为了产品改进还提出了许多建设性反馈意见,这就是社区的力量。

IBM量子团队成员Thomas McConkey和John Blair使用Qiskit Metal构建了一台名为“Tsuru”(鹤)的5量子比特量子处理器,作为即将到来的IBM与东京大学合作的量子试验台。

团队首先设置了一组目标参数,例如量子比特耦合强度、粗略频率范围及其他数值,以确保Tsuru能够与特定试验台的实验兼容。整个设计过程在WebEx上仅用几个小时就完成了,且在确定最佳布局之前,可以轻松生成不同的处理器设计。

Tsuru印证,人们可以使用Qiskit Metal来快速访问定制量子处理器以执行大量量子试验。Qiskit Metal库提供易于实现的构建模块,这样一来,人们在利用先前量子比特设计的同时,可以专注于研究层面。

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图2|查尔姆团队用Qiskit Metal设计的装置试验结果(来源:Chalmers)

同时,查尔姆斯理工大学的研究团队发现,鉴于他们过去在设备设计方面的经验,使用Qiskit Metal变得十分轻松且容易上手。该团队构造了一个测试芯片,一个他们能够用来作为基准的设备,与用Qiskit Metal设计的设备相比较。

设计芯片仅用了30分钟,然后大概花了1个小时在模拟器上运行,根据实验结果,它的表现符合预期。

而生产量子芯片一直是一个有点“匠气”的过程,需要数周数月的设计、分析与修订,Qiskit Metal可以实现一致性。随着设备的复杂性和多样性的增加,IBM Qiskit希望Qiskit Metal能够帮助这一过程实现无缝衔接。通过这种方式,Qiskit Metal可以帮助人们应对过于复杂的量子硬件挑战。

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图3|韩国Qiskit黑客松的Qiskit Metal GUI(来源:Qiskit)

本月初,在韩国Qiskit黑客松活动上,Qiskit Metal经历了最为严苛的现场测试。鉴于半导体产业对韩国的重要性,韩国量子社区的一些成员对硬件项目特别感兴趣。

一些有量子电动力学(QED)背景的活动参与者,或使用高频模拟软件从事芯片设计的研究人员聚集在一起,组成了多个Qiskit Metal学习团队。活动组织者确保每个团队中,至少有一个人了解背景材料中的每一个元素。

虽然这是参与者们第一次使用Qiskit Metal,但在短短24小时内,有3个团队成功使用超导量子比特设计出了一个2量子比特芯片,并在他们的设备模拟中,精调参数以达到目标频率和非谐性。其中,一个小组的成员将继续使用Qiskit Metal研究更具挑战的3量子比特设备。

韩国标准科学研究院(KRISS)的研究员Sun Kyun也参加了此次韩国Qiskit黑客松活动,他表示,在此次活动之前就有听闻IBM Qiskit Metal项目的消息,认为该工具对于刚开始接触超导量子比特设计的人来说十分友好。

Sun Kyun希望使用Qiskit Metal来优化自己的量子系统,并研究纠缠特性与多量子比特系统结构之间的关系。

Qiskit Metal现已公开使用,需要注意的是,该软件仍处于早期alpha测试阶段,后续还会增加许多新的功能,当然也会有不少bug需要修复。

但IBM Qiskit认为这是一个绝佳的机会,因为IBM致力于推动科学和软件的发展,希望通过Qiskit Metal来向社区提供利益,也希望用户能够比以往更好地理解并研究量子硬件。并在此过程中提供反馈,从而提升整个硬件社区的水平。

 

 

参考链接:

[1]https://qiskit.org/metal/?utm_source=Medium&utm_medium=Social&utm_campaign=Announcement&utm_content=Metal-Release

[2]https://medium.com/qiskit/starting-today-anyone-can-design-quantum-hardware-with-qiskit-metal-4fd5dcf4c7cf

[3]https://arxiv.org/abs/2103.10344

 

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|编  辑:王嘉雯      |审  校:丁 艳