[論文レビュー] Automated discovery of superconducting circuits and its application to 4-local coupler design

Tim Menke, Florian Häse+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2019

Neural Networks and Reservoir Computing参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、望ましいスペクトル特性およびノイズ耐性を備えた超伝導回路設計を自動で探索する閉ループ最適化フレームワークであるSCILLAを提示する。本研究では、フラックスキュービットにおける結合強度とノイズ耐性の両面で先行研究を上回る新しい4局所結合素子アーキテクチャを同定し、AI駆動の逆設計が量子ハードウェア開発においていかに有効であるかを示している。

ABSTRACT

Superconducting circuits have emerged as a promising platform to build quantum processors. The challenge of designing a circuit is to compromise between realizing a set of performance metrics and reducing circuit complexity and noise sensitivity. At the same time, one needs to explore a large design space, and computational approaches often yield long simulation times. Here we automate the circuit design task using SCILLA, a software for automated discovery of superconducting circuits. SCILLA performs a parallelized, closed-loop optimization to design circuit diagrams that match pre-defined properties such as spectral features and noise sensitivities. We employ it to discover 4-local couplers for superconducting flux qubits and identify a circuit that outperforms an existing proposal with similar circuit structure in terms of coupling strength and noise resilience for experimentally accessible parameters. This work demonstrates how automated discovery can facilitate the design of complex circuit architectures for quantum information processing.

研究の動機と目的

• 最適な性能とノイズ耐性を備えた複雑な超伝導回路を設計する課題に対処すること。
• 高次元の回路パrameter空間における手動設計の負荷と探索時間の低減。
• 量子回路の逆設計を目的とした閉ループで並列化された最適化フレームワークの開発。
• 超伝導量子プロセッサにおける強い、耐障害性の高い多体相互作用を可能にする4局所結合素子アーキテクチャの発見。
• 発見された回路の実現可能性と性能を、フルシステムシミュレーションを用いて検証すること。

提案手法

• SCILLAは、回路生成、スペクトルおよびノイズ特性のシミュレーション、および評価基準に基づくフィードバックを統合した閉ループワークフローを採用している。
• ユーザーが定めた範囲と部品制約内での回路アーキテクチャの探索を目的としたパラメータ生成アルゴリズムを用いている。
• フレームワークは回路シミュレータを介して量子スペクトルとノイズ感受性を計算し、スペクトル的特徴とノイズ指標をフィtness関数として用いている。
• 粒子群最適化（PSO）などの進化計算アルゴリズムを用いて、部品値とトポロジーを段階的に最適化している。
• 過去の回路評価に基づいた非同期実行とフィードバック駆動型の最適化を可能にするデータベースシステムを採用している。
• 4つのフラックスキュービットが発見された結合素子を介して結合されたフルシステムシミュレーションにより、4局所相互作用と、最適化の代理指標としての二重井戸型の挙動が確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自動化されたAI駆動の発見手法は、複雑な超伝導量子回路の設計において、手動設計を上回ることができるか？
• RQ2 どのような回路アーキテクチャがフラックスキュービット間で強い、ノイズ耐性のある4局所結合を可能にするか？
• RQ3 結合素子における二重井戸状の基底状態は、4局所相互作用の最適化に信頼できる代理指標として機能できるか？
• RQ4 結合強度とノイズ感受性の観点から、発見された結合素子の性能は、既存の提案と比較してどのように差がつくか？
• RQ5 提案された4局所結合素子の実験的実現可能性を可能にするパラメータ範囲は何か？

主な発見

• SCILLAは、類似したトポロジーを持つ既存の設計を大きく上回る約200 MHzの結合強度を達成する4局所結合素子設計を成功裏に発見した。
• 提案された結合素子は、最適化されたインダクタンスおよびジャンクションパラメータのおかげで、フラックスノイズに対する感受性が低く、ノイズ耐性が向上している。
• フルシステムシミュレーションにより、結合素子を介した4局所相互作用が確認され、デゲネラシー点における基底状態スペクトルに明確な二重井戸構造が観察された。
• 最適なキュービット-結合素子相互インダクタンスは、パラメータスイープの結果、38.25 pHであると特定された。これにより、フラックスシフトの正確な制御が可能になった。
• ジョセフソンエネルギーが119 GHzおよび183 GHz、インダクタンスが100 pH、シャントキャパシタンスが50 fFである実現可能なパラメータを維持しており、実験的実現可能性が保証されている。
• 階層的対角化法により、巨大なヒルベルト空間を有する4キュービット系の正確なシミュレーションが可能となり、回路のスペクトル的性質の妥当性が検証された。