附操作视频！如何使用IBM平台设计量子芯片？

光子盒研究院出品

近日，IBM发布了他们的超导量子计算机开源电子设计自动化软件Qiskit Metal[1]。

设计和模拟量子设备长期以来是一个耗时的多步骤过程，跨越几个互不相连的软件套件。而IBM希望Qiskit Metal将彻底改变这一过程。Qiskit Metal是第一个专门针对量子计算机的电子设计自动化（EDA）工具，旨在帮助社区使用预构建或定制的组件轻松地自主创新和设计超导量子设备。

IBM希望，Qiskit Metal对于致力于改进量子比特和耦合器或开发新的创造性量子技术的研究人员来说是不可或缺的。对于那些希望更好地掌握量子硬件的人，Qiskit Metal也可以成为一个有用的教育工具。

Qiskit Metal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子。

例如，用户可能希望构建一个具有特定量子比特频率或量子比特间耦合的设备。由于Qiskit Metal组件库，处理第一级布局只需几分钟。然后，Metal进行自动经典分析，以确定设备的电磁特性，接下来进行量子分析，以返回设备的能量本征光谱等信息。最后，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希望，即使没有EDA专业背景，新用户也可以完成设计，就像搭建一个建筑玩具，而有经验的用户可以生产定制组件，以设计出最先进的芯片。该团队预计Metal将随着超导量子计算领域的整体发展而成熟，并与未来量子硬件和建模的进展相结合。

IBM最近在arXiv上发表了一篇关于Qiskit Metal的论文[2]，同时为了更直观地展示如何操作，IBM Qiskit提供了一个视频，光子盒为其配上了中文字幕。

来源：IBM Qiskit

早在去年10月，IBM就向早期访问社区的一小部分成员发布了Qiskit Metal，以了解Metal是如何帮助他们的设备设来计工作流，结果超出预期。

IBM的研究人员，瑞典查尔姆斯理工大学的团队，甚至韩国Qiskit黑客松的新用户都能够以前所未有的速度设计和分析量子处理器。他们还提供了建设性的反馈意见来帮助改进产品——这就是开源社区的优势。

IBM Quantum团队的成员Thomas McConkey和John Blair，使用Qiskit Metal制造了一个名为Tsuru（“鹤”）的5量子比特处理器，将用于IBM和东京大学合作的一个即将启动的量子测试平台。

团队首先确定了一组目标参数，如量子比特耦合强度、粗略频率范围等，以确保Tsuru与特定测试平台的实验兼容。整个设计过程在WebEx上仅用了几个小时就完成了，该工具的灵活性允许在确定最佳布局之前轻松生成不同的处理器设计。

Tsuru证明，用户可以使用Metal快速访问定制量子处理器以执行大量的量子实验。Metal的库提供了易于实现的构建模块，这样一个团队就可以在利用先前研究过的量子比特设计的同时，专注于他们所期望的研究，比如改进微波封装或新型耦合器。

同时，查尔姆斯团队发现，由于他们过去在设计量子设备方面很有经验，使用Qiskit Metal非常得心应手。该团队设计了一个测试芯片，并将其作为基准，然后与以前设计的设备进行比较。设计芯片只花了30分钟，然后在模拟器中运行了约一个小时，实验结果表明，它的表现达到了预期。

生产量子芯片需要数周甚至数月的手工设计、分析和修改，现在，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希望Qiskit Metal能够与芯片生产过程实现无缝衔接。通过这种方式，Metal可以帮助人们应对长期以来复杂的量子硬件挑战。

查尔姆斯团队利用Qiskit Metal设计的8量子比特芯片

（来源：IBM Qiskit）

本月早些时候，Qiskit Metal在韩国Qiskit黑客松活动上进行了最严格的现场测试。鉴于半导体工业对韩国的重要性，韩国量子社区的一些成员对基于硬件的项目特别感兴趣。

具有量子电动力学（QED）背景的参与者，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，加入多个Qiskit Metal学习团队，组织者确保每个团队中至少有一个人了解背景材料的每个元素。

尽管这是他们第一次使用Qiskit Metal，但仅在24小时内，三个团队都成功地设计了一个2超导量子比特芯片，并在他们的设备模拟中微调参数以实现目标频率和非谐性。其中一个团队继续研究了一种更具挑战性的3量子比特设备。

黑客松团队设计的2量子比特芯片之一

（来源：IBM Qiskit）

韩国标准科学研究院(KRISS)的研究员Sun Kyun也参与了此次活动，他说:“我在活动之前已经听说了IBM Qiskit Metal项目的消息，该工具对于像我这样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来优化他的量子系统，并研究纠缠特性与多量子比特系统结构之间的关系。

Qiskit Metal现已面向公众开放[3]。需要注意的是，这个软件还在早期测试阶段，后期将添加更多新的功能，当然也有相当一部分bug需要修复。

IBM致力于推动软件和科学的发展，通过发布开源软件提供最广泛的利益。IBM希望使用Qiskit Metal让用户能够比以往任何时候都更好地理解和研究量子硬件，并在此过程中不断提供反馈和更新，从而全面提升硬件社区的水平。

参考：

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

[2]http://arxiv.org/abs/2103.10344

[3]https://qiskit.org/metal/

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