量子芯片的EDA工具

至少在商业上可行的量子计算机是如此几年但一些研究人员已经开始质疑现有的EDA工具是否足以设计量子芯片和系统。这是因为量子设计要求有时会超越关于材料、温度和结构的经典规则——这些规则是市场上大多数EDA产品的基础。

随着量子计算成为更有吸引力的商业机会，这种情况可能会加速EDA向定制化发展。麦肯锡公司估计量子计算市场最早将在2035年达到7000亿美元。科学家们表示，量子计算机可以推动包括制药和人工智能在内的广泛领域的真正颠覆性创新。但是有很多技术障碍首先必须解决这个问题，尤其是生产耐用的纠错产品量子比特比现在可能的数量还要多。

量子研究人员目前使用各种不同的材料、技术和方法来开发量子计算机。因为在创造量子比特的最佳方法等基本问题上没有共识，所以同样有不同的设计芯片的方法。例如，一些系统依赖于电子自旋，而另一些则利用光子偏振。

在设计量子芯片时，现有的EDA工具通常更适合电子(超导)领域，而不是光子(光学)领域，但都不是完美的。

“超导芯片设计中具有挑战性的部分之一是随着量子比特数量的增加，电磁模拟的复杂性，”量子解决方案规划主管穆罕默德·哈桑说Keysight技术．“此外，调谐量子比特和谐振器及其耦合意味着电磁模拟的重复周期，这大大延长了设计周期，增加了计算成本。”

Hassan解释说，由约瑟夫森结组成的超导量子比特的设计遵循了典型的微波电路设计过程。“量子微波电路通常由耦合到量子位的共平面波导谐振器组成。谐振器有两个用途——读取量子比特的状态，并使它们彼此交谈。用量子的语言来说，这就是纠缠。从微波设计的角度来看，电路将有许多共振频率对应谐振器和量子位。事实上，在非常低的信号激发下，量子比特可以通过量子体系中预期的集总电感来抽象。”

图1:上图描述了一个在IBM Qiskit Metal中创建的四量子比特电路，并导入到PathWave ADS2023中。正方形岛屿代表量子位，摆动线代表纠缠/总线谐振器。下图为采用矩量法的EM模拟结果。来源:Keysight

虽然这具有现有半导体设计的一些元素，但量子世界需要一套完全不同的优化技术，其中一些仍在发展中。因此，没有公认的最佳实践和方法，也不清楚何时会有。然而，这两者对于广泛的商业应用都是必不可少的。

Hassan说:“芯片设计需要设计谐振器和量子位，使电路的不同频率达到目标值，通常在几ghz范围内，并调整谐振器和量子位之间的耦合以满足某些量子参数。”“当量子比特改变其状态时，我们将能够在其相关读出谐振器的微波信号响应上看到谐振频率的变化。”

平面微波电路利用矩量法提供了一种非常经济的电磁模拟解决方案，这种方法不求解整个体积内的电场，只求解金属表面的电流。这种方法大大降低了计算成本。量子平面微波电路可以利用同样的好处，使大型量子电路的设计周期更快。但对量子电路的规模和精度要求更高，这促使人们需要创新的解决方案技术和熟练的工程师来迎接新的挑战。

使用光学设计方法需要为光子开发非线性形状——弯曲波导而不是电结，这样光信号就可以平滑地通过芯片。GlobalFoundries公司技术与创新高级副总裁Ted Letavic说:“(这些)是非常大的曲线结构，不仅必须非常精确地形成圆形和波导，而且当你在量子状态甚至室温状态下进行光子互连时，还要与其他波导紧密耦合。”他指出，EDA工具通常足以为光子接收器和数据中心通信设计波导和耦合结构。“然而，由于量子需求的独特性，我们需要对EDA工具在处理非矩形形状方面进行大量更新。”

其他重要的变化将需要反映涉及光子域的材料的非线性光学性质，今天包括钛酸钡，钛酸锶，钼和硅合金。

相比之下，电子领域的量子芯片设计主要是关于“优化”，Letavic说。“这和其他电子系统非常相似，”他说。“对于一些‘禁止进入’区域，有一些正常的EDA布局规则，你必须注意，这取决于噪音。我们必须意识到射频(RF)屏蔽和诸如此类的事情。但这些技术是众所周知的。我不会说有什么大的亮点。”

当人们超越芯片，考虑设计包装模拟和温度的影响时，情况就不同了。他说:“如果你有一台量子计算机，它有三到四种不同的温度体系，从4毫开尔文(-273°C)一直到室温，那么封装上的应力和应变就相当极端。”“要量化实现下一代量子计算机所必需的各种封装解决方案的可靠性和坚固性，还有大量的工作要做。”

保持量子系统冷却所需的功率可能会导致芯片模型，这对EDA也有影响。“在这些量子系统中必须发生的是基于芯片的格式，”他说。“其中一些芯片将在非常低的温度下，而另一些将在室温下。解决方案将是芯片分割。EDA工具必须能够非常准确、高保真地模拟系统中的单个芯片，还必须非常准确地模拟芯片和系统其他部分在不同温度下的相互连接。”

可以肯定的是，并不是量子世界中的每个人都质疑现有EDA生态系统的充分性。Quantum Computing Inc.首席技术官兼首席运营官William McGann表示，该公司最近购买了现有EDA产品的许可证，他认为该产品将提供比构建公司芯片设计所需的更多的产品。McGann表示，量子比特是光子的，该设计利用了铌酸锂，以及将该技术转化为大规模生产芯片所面临的某些挑战。

McGann说:“当你进行智能切割时，根据能量和切割晶体时的解理面，会有一定的损伤。”“你怎么把表面上的缺陷打磨掉?”在构建光子带隙材料时，如何测量器件的有源体积?当然，从光学的角度来看，纯度是非常重要的。一些计量学上的挑战，比如我们如何测量我们所知道的好的东西，可能会推动我们所需要的一些激光技术，超越我们今天所拥有的。我们预期使用的大多数流程都已经公开演示过，所以现在真正的问题是我们要建立自己的食谱。”

尽管如此，GlobalFoundries的Letavic预测，像他所描述的那样的考虑可能会迫使量子研究人员寻找定制的解决方案。这可能会放大现有的EDA趋势，增加定制和定制的硅．Letavic说:“EDA工具环境通常只关注生态系统的硬件部分，但真正决定这些量子计算机架构是否达到量子的承诺的是堆栈的其余部分。”“在软件、算法和量子源方面将会有很大的不同，我认为在未来十年内，这不会缩小到一个现成的解决方案。”

他预测这些EDA解决方案将是高度定制的，从量子比特源本身的属性开始——具有非线性属性的光子量子比特和具有极端温度要求的电子量子比特。

西门子数字工业软件公司(Siemens Digital Industries Software)产品管理总监约翰·弗格森(John Ferguson)表示，量子计算的大部分设计流程与经典计算类似。“这就像20世纪80年代中后期的EDA。自动化并不存在。迫使油气行业进行创新的是曲线形状的问题，长期以来，利用现有工具很难设计出曲线形状。我们早就知道它会到来，但每个人都说‘让我们等到真正有需要的时候再说吧。’现在我们不能再回避它了，每个人都在努力。”

然而，传统的用于设计规则检查的EDA工具并不适合弯曲形状，因为在IC世界中，电线和晶体管都被画成矩形。

“但越来越多的弯曲性质的东西正在成为生活的事实，不仅在量子计算中，而且在光子学和其他领域。有人提议改变Oasis格式，这样我们就可以表现曲线化的东西。”“量子设计目前更像是艺术和科学的结合，还加入了一点直觉。这更像是做一个自定义模拟块，你确切地知道你想要什么，你知道它们应该如何相互作用，你以图形方式移动它们，然后运行某种形式的模拟。这就是我所说的“通过修正来构建”。开发EDA工具来满足量子计算研究人员的需求是一个重要而困难的问题。而且它远没有围绕量子计算机规模的一些技术挑战那么困难，比如开发更多正确类型的量子位。这是一个有趣的挑战，但却是可以克服的。”