Проектът Qiskit Metal на IBM позволява на всеки да проектира собствен квантов компютър

от Владимир Владков

31 май 2021 08:48 869 прочитания

Новият софтуер с отворен код Qiskit Metal, създаден от поделението IBM Quantum, осигурява за първи път пълнофункционална платформата за проектиране на физически квантови чипове с най-различен размер в кюбити. Уникално, тази платформа прави възможно всеки да я използва дори от дома си. Това е било демонстрирано наскоро на няколко хакатона в Япония и Южна Корея, на които студенти са разработили прототипи на схеми за квантови чипове. Това обясни на специална демонстрация Златко Минев, който е проектен и технически ръководител на проекта Qiskit Metal за проектиране и анализ на бъдещите квантови устройства на IBM. Минев стигна до идеята за този пробив в квантовия дизайн на база на работа от докторската си дисертация. Минев провежда и серия от информационни семинари IBM Qiskit.

Златко Минев има докторска степен (Ph.D.) от Йейлския университет в областта на суперпроводимата квантова физика. Наскоро MIT Technology Review избра Минев за един от своите 35 глобални иноватори под 35 г., а неговата дисертация върху улавяне и преобръщането на квантов скок по средата на полета е избрана като най-доброто откритие по математика / физически науки от Discover. Златко Минев е и лауреат на наградата "Джон Атанасов" (2020), връчваща се от президента на Република България.

През март IBM официално представи своя софтуер с отворен код Qiskit Metal за автоматизация на електронния дизайн на суперпроводими квантови компютри. "Проектирането и симулирането на квантово устройство е интензивен, многоетапен процес, който се разпростира върху редица несвързани помежду си софтуерни пакета. Надяваме се, че Qiskit Metal ще революционизира този процес. Qiskit Metal е първият инструмент за автоматизация на електронния дизайн (EDA), специално предназначен за квантови компютри, който има за цел да помогне общността на разработчиците при внедряването и проектирането на свръхпроводими квантови устройства според собствените им спецификации, използвайки предварително изградени или персонализирани компоненти. Надяваме се, че Qiskit Metal ще бъде незаменим инструмент за изследователите, работещи за подобряване на квантовите компютри или за разработването на нова, креативна квантова технология. Надяваме се, че Qiskit Metal може да бъде и полезен образователен инструмент за онези, които се стремят да разберат по-добре квантовия хардуер", обясни Минев.

Процесът на проектиране Qiskit Metal започва от концепцията - желаните параметри за конкретно устройство Hamiltonian, като това е операторът, който описва енергията и нейните квантови свойства. Потребителите може да искат да създадат устройство с определена кюбитова честота или свързване между кюбит и кюбит, например. Те измислят първия дизайн, процес, който отнема само минути в Qiskit Metal благодарение на библиотеката с компоненти. След това Metal извършва автоматично класически анализ за определяне на електромагнитните свойства на устройството и след това квантов анализ за връщане на информация като енергийния собствен спектър на устройството. След това потребителят може да сравнява резултата от квантовия анализ с целта на Hamiltonian и да "пипне" настройките, ако това е необходимо.

"Надяваме се да улесним обучение чрез Metal. Дори и без опит в типичния EDA софтуер, напълно нов потребител може да изготви дизайн, сякаш изгражда със строителни тухлички, а опитен потребител може да генерира персонализирани компоненти, за да създаде най-съвременния квантов чип. Екипът очаква Metal да "узрее като технология" успоредно с областта на свръхпроводимите квантови изчисления като цяло и непрекъснато да включва бъдещи постижения на квантовия хардуер и моделиране", обясни Минев.

През октомври 2020 г. екипът зад Qiskit Metal е представил софтуера за първоначално тестване на членове на развойната общност, за да се види дали Metal наистина ще им помогне да проектират свои устройства. Резултатите са надхвърлили очакваното. Изследователи от IBM, екип от шведския Технологичен институт Chalmers и дори нови потребители от Хакатона Qiskit в Южна Корея са успели да проектират и анализират квантови процесори не за месеци, а за часове. Те са дали и конструктивни предложения за подобряване на продукта, което е и едно от съществените предимства на софтуер с отворен код.

Членовете на екипа от IBM Quantum Томас МакКонки и Джон Блеър са използвали Qiskit Metal, за да създадат 5-кюбитов квантов процесор под името Tsuru, който ще бъде използван като тестова постановка в съвместно проучване на IBM и Университета на Токио. Екипът е започнал с набор от целеви параметри, като сили на кюбитовото свързване, по-широки честотни диапазони и други стойности, за да се гарантира, че Tsuru ще бъде съвместим със специфични тестови експериментални постановки. Целият процес на проектиране е завършен през WebEx само за няколко часа, а гъвкавостта на инструмента е позволил лесно да се генерират различни дизайни на процесора, преди да се установи оптималният му вид.

Процесорът Tsuru демонстрира, че софтуерът Qiskit Metal може да бъде подходящ за онези, които се нуждаят от бърз достъп до персонализиран квантов процесор, за да осъществят множество квантови експерименти. Библиотеките на Qiskit Metal предоставят лесно изпълними градивни елементи, така че групата да може да се съсредоточи върху желаното от тях проучване, да речем, за подобряване на микровълновия пакет или новаторски съединители, като същевременно подпомага проучването на дизайна на кюбитите.

Производството на квантови чипове все още е малко на ниво "занаятчийски процеси", изискващ седмици и месеци на ръчно проектиране, анализи и ревизии. Същевременно Qiskit Metal позволява по-консистентно проектиране. С нарастването на сложността и разнообразието на устройствата се надяваме Qiskit Metal процесът да стане по-безпроблемен. По този начин Metal може да помогне и да даде възможност на хората да се справят с предизвикателствата пред квантовия хардуер, които отдавна се считат за твърде сложни.

Qiskit Metal бе тестван много сериозно по време на Qiskit Hackathon Кория през март 2021. Като се има предвид значението на полупроводниковата индустрия за Южна Корея, някои членове на южнокорейската квантова общност са особено заинтересовани от хардуерни проекти. Участници с опит в квантовата електродинамика (QED) или изследователи, които са работили по проектиране на чипове със софтуер за високочестотна симулация, са обединили своите усилия с екипите, фокусирани върху Qiskit Metal. Въпреки че за пръв път използват Qiskit Metal, само за 24 часа - вместо седмици или месеци - всеки от трите екипа успешно проектира чип с два кюбита, използвайки свръхпроводящи кюбити, и успява фино да настрои параметрите, за да постигне целевите честоти и нехармоничност при симулациите на техните устройства. Една от групите е продължила към още по-предизвикателно устройство с три кюбита, обяснява Златко Минев.

Сега, когато Qiskit Metal вече е публично достояние, ние искаме да видим как това ще въздейства върху по-широката квантова общност. Важно е да се отбележи, че този софтуер все още е в ранна алфа версия; все още има много функции, които бихме искали да добавим, и със сигурност трябва да отстраним своя дял от грешките. Ние виждаме това като възможност; ние се ангажираме да развиваме както софтуера, така и науката по начин, който осигурява най-широка полза, като пуснем този софтуер с отворен код. Надяваме се, че ще използвате Qiskit Metal, за да разберете и изучите квантовия хардуер по-добре - и по този начин предоставяйте обратна връзка и актуализации на кода, които ще подобрят хардуерната общност като цяло", добави Минев.