电巢：量子芯片的 EDA 工具

商业上可行的量子计算机至少还需要几年时间，但一些研究人员已经在质疑现有的 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具吸引力的商机，这种情况可能会加速 EDA 向定制化的转变。麦肯锡公司估计，量子计算市场最早可能在 2035 年达到 7000 亿美元。科学家表示，量子计算机可以在包括制药和人工智能在内的广泛领域推动真正颠覆性的创新。但是必须首先解决大量的技术障碍，尤其是生产比现在更大量的耐用、纠错的量子比特。

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。由于在诸如创建量子比特的最佳方法等基本问题上没有达成共识，因此设计芯片的方式也各不相同。例如，一些系统依赖于电子自旋，而其他系统则利用光子偏振。

在设计量子芯片时，现有的 EDA 工具通常比光子（光学）领域更适合电子（超导）领域，但两者都不完美。

是德科技量子解决方案规划负责人 Mohamed Hassan 表示：“超导芯片设计的一个具有挑战性的部分是电磁仿真随着量子比特数量的增加而变得复杂。 ” “此外，调整量子位和谐振器及其耦合意味着电磁仿真的重复循环，这会显着延长设计周期并增加计算成本。”

哈桑解释说，由约瑟夫森结组成的超导量子位的设计遵循典型的微波电路设计流程。“量子微波电路通常由耦合到量子比特的共面波导谐振器组成。谐振器用于两个目的——读出量子位的状态并使它们相互通信。在量子语言中，这就是纠缠。从微波设计的角度来看，电路将具有许多与谐振器和量子位相对应的谐振频率。事实上，在非常低的信号激发下，量子比特可以通过它们在量子体系中预期的集总电感来抽象。”

图 1：上图描绘了在 IBM Qiskit Metal 中创建并导入到 PathWave ADS2023 的四量子位电路。方形岛代表量子比特，波浪线代表纠缠/总线谐振器。下图显示了使用矩量法的 EM 仿真结果。资料来源：是德科技

虽然这具有现有半导体设计的一些要素，但量子世界需要一套完全不同的优化技术，其中一些仍在不断发展。因此，没有商定的最佳实践和方法，也不清楚何时会有。然而，两者对于广泛的商业采用都是必不可少的。

“芯片设计需要对谐振器和量子位进行工程设计，以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特定的量子参数，”Hassan 说。“当量子位改变其状态时，我们将能够在其相关读出谐振器的微波信号响应中看到谐振频率发生变化。”

平面微波电路适用于使用矩量法的非常经济高效的电磁仿真解决方案，它不是求解整个体积中的电场，而是仅求解金属表面上的电流。该方法显着降低了计算成本。量子平面微波电路可以利用相同的优势，从而加快大型量子电路的设计周期。但量子电路的缩放和精度要求更高，促使需要创新的解决方案技术和熟练的工程师来应对新的挑战。

使用光学设计方法需要开发光子的非线性形状——弯曲的波导而不是电结，这样光信号才能顺利地通过芯片。“[这些] 非常大的曲线结构，不仅必须是形状非常精确的圆和波导，而且当你在量子范围内甚至在室温范围内进行光子互连时，还必须非常紧密地耦合到其他波导，”说Ted Letavic，GlobalFoundries 公司研究员兼技术与创新高级副总裁。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。“但是，由于量子要求的独特性，

还需要进行其他重要更改以反映光子域中所涉及材料的非线性光学特性，这些材料目前包括钛酸钡、钛酸锶、钼和硅合金。

相比之下，根据 Letavic 的说法，电子领域的量子芯片设计主要是关于“优化”。“它与其他电子系统非常相似，”他说。“对于一些你必须注意的‘禁止入内’区域，有一些正常的 EDA 布局规则，具体取决于噪声。我们必须注意射频 (RF) 屏蔽之类的事情。但是这些技术是众所周知的。我不会说那里有任何主要的表演者。”

当人们超越芯片考虑设计封装模拟和温度的影响时，情况就会发生变化。“如果你的量子计算机具有三种或四种不同的温度范围，从 4 毫开尔文 (-273°C) 一直到室温，包装上的应力和应变会相当极端，”他说。“要量化实施下一代量子计算机所需的各种封装解决方案的可靠性和坚固性，仍有大量工作要做。”

保持量子系统冷却所需的功率可能会导致小芯片模型，这也对 EDA 有影响。“在这些量子系统中必须发生的是一种基于小芯片的格式，”他说。“其中一些小芯片将处于非常低的温度，而其中一些将处于室温。解决方案将是小芯片分割。EDA 工具必须能够非常准确且高保真地模拟系统中的单个芯片，并且它们还必须非常准确地模拟在不同温度下连接到芯片和系统其他部分的互连。”

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. 的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超出构建公司芯片设计所需的功能。McGann 表示，量子比特是光子的，该设计利用了铌酸锂，同时也面临着将该技术转化为量产芯片的某些挑战。

“当你进行智能切割时，根据你切割晶体的能量和解理面，会产生一定程度的损坏，”McGann 说。“你如何去除表面上的这些缺陷？在构建光子带隙材料时如何测量设备的活性体积？当然，从光学角度来看，纯度非常重要。一些计量挑战，例如我们将如何测量我们所知道的好东西，可能会推动我们需要的一些激光技术超越我们现有的技术。我们预期使用的大多数流程都已经公开展示，所以现在真正需要我们来构建我们的配方。”

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求定制解决方案。这可能会扩大现有的 EDA 趋势，以增加定制化和定制硅片。“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符合量子承诺的是堆栈的其余部分，”Letavic 说。“在软件、算法和量子源方面会有如此大的差异，我认为在未来十年内不会缩小到现成的解决方案。”

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

Siemens Digital Industries Software 产品管理总监 John Ferguson 表示，量子计算的大部分设计流程与经典计算相似。“这就像 80 年代中后期的 EDA。自动化不存在。迫使该行业进行创新的是曲线形状的问题，长期以来，这些问题一直难以用现有工具进行设计。我们早就知道它会到来，但每个人都说“让我们等到真正需要的时候再说吧。” 现在我们不能再回避了，每个人都在努力。”

然而，用于设计规则检查的传统 EDA 工具并不适合弯曲形状，因为在 IC 世界中，导线和晶体管被绘制为矩形。

“但越来越多的弯曲性质的事物正在成为生活中的事实，不仅在量子计算中，而且在光子学和其他领域。有提议改变绿洲格式，这样我们就可以表示曲线的东西，”弗格森说。“量子设计目前更多地是艺术与科学的结合，并融入了一点直觉。它更像是做一个定制的模拟块，你确切地知道你想要什么，你知道它们应该如何相互作用彼此之间，你正在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“通过修正构建”的很多内容。开发满足量子计算研究人员需求的EDA工具是一个重要而困难的问题。而且它远没有围绕扩展量子计算机的一些技术挑战那么困难，例如开发更多正确类型的量子比特。这是一个有趣的挑战，但它是可以克服的。”