[논문 리뷰] Automated discovery of superconducting circuits and its application to 4-local coupler design

Tim Menke, Florian Häse외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 06.

Neural Networks and Reservoir Computing참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 원하는 스펙트럼 및 노이즈 특성을 갖는 초전도 회로 설계를 자동으로 발견하는 자동화된 클로즈드 루프 최적화 프레임워크인 SCILLA를 제시한다. 이 프레임워크는 플럭스 큐비트에서 결합 강도와 노이즈 내성 면에서 이전 설계를 능가하는 새로운 4-로컬 커플러 아키텍처를 성공적으로 규명하였으며, 양자 하드웨어 개발에서 인공지능 기반의 역설계 기법의 잠재력을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 최적의 성능과 노이즈 내성을 갖춘 복잡한 초전도 회로 설계의 과제를 해결하기 위해.
• 고차원적 회로 파ameter 공간에서의 수작업 설계 노력과 탐색 시간을 줄이기 위해.
• 역설계를 위한 클로즈드 루프이자 병렬화된 최적화 프레임워크를 개발하기 위해.
• 초전도 양자 프로세서에서 강력하고 내성적인 다체 상호작용을 가능하게 하는 4-로컬 커플러 아키텍처를 발견하기 위해.
• 전체 시스템 시뮬레이션을 통해 발견된 회로의 실현 가능성과 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• SCILLA는 순환 최적화를 위한 반복적 개선을 위해 회로 생성, 스펙트럼 및 노이즈 특성 시뮬레이션, 그리고 성과 기반 피드백을 통합한 클로즈드 루프 워크플로우를 사용한다.
• 사용자가 정의한 범위와 구성 요소 제약 조건 내에서 회로 아키텍처를 탐색하기 위해 파라미터 생성 알고리즘을 활용한다.
• 프레임워크는 회로 시뮬레이터를 통해 양자 스펙트럼과 노이즈 민감도를 계산하며, 스펙트럼 특징과 노이즈 지표를 적합도 함수로 사용한다.
• 구성 요소 값과 구조를 개선하기 위해 진화 알고리즘(예: 입자 군집 최적화)을 사용하여 최적화를 수행한다.
• 이전의 회로 평가 기반으로 이종적 실행과 피드백 기반 정밀 조정을 가능하게 하는 데이터베이스 시스템을 구현한다.
• 4개의 플럭스 큐비트가 발견된 커플러를 통해 결합된 전체 시스템 시뮬레이션을 통해 4-로컬 상호작용과 고도로 비슷한 이중우물 행동이 확인되었으며, 이는 최적화의 대체 지표로 사용된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자동화된 인공지능 기반의 발견이 복잡한 초전도 양자 회로 설계에서 수작업 설계를 능가할 수 있는가?
• RQ2 어떤 회로 아키텍처가 플럭스 큐비트 간 강력하고 노이즈에 강건한 4-로컬 결합을 가능하게 하는가?
• RQ3 커플러에서의 이중우물 기저 상태가 4-로컬 상호작용 최적화를 위한 신뢰할 수 있는 대체 지표가 될 수 있는가?
• RQ4 기존 제안 사례와 비교했을 때, 발견된 커플러의 결합 강도와 노이즈 민감도 측면에서 성능은 어떠한가?
• RQ5 제안된 4-로컬 커플러의 실험적 실현 가능성을 보장하는 파라미터 범위는 무엇인가?

주요 결과

• SCILLA는 유사한 구조를 가진 이전 설계보다 크게 뛰어난 약 200 MHz의 결합 강도를 달성하는 4-로컬 커플러 설계를 성공적으로 발견하였다.
• 제안된 커플러는 최적화된 인덕턴스 및 저항 요소로 인해 플럭스 노이즈에 대한 민감도가 감소하여 향상된 노이즈 내성 특성을 보였다.
• 전체 시스템 시뮬레이션은 커플러를 통해 매개되는 4-로컬 상호작용을 확인하였으며, 비틀림점에서 기저 상태 스펙트럼에 명확한 이중우물 구조가 존재함을 입증하였다.
• 최적의 큐비트-커플러 상호인덕턴스는 파라미터 스윕을 통해 38.25 pH로 결정되었으며, 이는 플럭스 이동의 정밀 제어를 가능하게 하였다.
• 실제로 구현 가능한 파라미터를 유지하며 설계가 실현 가능함을 입증하였다: 조셉슨 에너지 119 GHz 및 183 GHz, 100 pH 인덕턴스, 50 fF 병렬 커패시터.
• 계층적 대각화 방법을 통해 큐비트 수가 많은 힐베르트 공간을 고려한 전체 4-큐비트 시스템의 정확한 시뮬레이션을 수행하였으며, 이는 회로의 스펙트럼 특성을 검증하였다.