[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出 SCILLA，一种用于发现具有所需光谱和噪声特性的超导电路设计的自动化闭环优化框架。该框架成功识别出一种新型的四体耦合器架构，在通量任意子上实现了更强的耦合强度和更高的噪声鲁棒性，展示了人工智能驱动的逆向设计在量子硬件开发中的强大潜力。

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.

研究动机与目标

• 解决设计复杂超导电路以实现最佳性能和噪声鲁棒性的挑战。
• 减少在高维电路参数空间中进行手动设计和探索所需的时间与精力。
• 开发一种用于量子电路逆向设计的闭环、并行化优化框架。
• 发现一种四体耦合器架构，以在超导量子处理器中实现强而鲁棒的多体相互作用。
• 通过全系统仿真验证所发现电路的可行性和性能。

提出的方法

• SCILLA 采用闭环工作流，整合电路生成、光谱与噪声特性仿真，以及基于性能指标的反馈，实现迭代优化。
• 利用参数生成算法在用户定义的边界和元件约束范围内探索电路架构。
• 通过电路仿真器计算量子能级谱和噪声敏感度，将光谱特征和噪声指标作为适应度函数。
• 使用进化算法（如粒子群优化）对元件参数和拓扑结构进行优化。
• 数据库系统支持异步执行和基于先前电路评估结果的反馈式优化。
• 对四个通过所发现耦合器连接的通量任意子进行全系统仿真，验证了四体相互作用的存在，并以简并点处的双势阱行为作为优化的代理指标。

实验结果

研究问题

• RQ1 自动化、基于人工智能的发现能否在设计复杂超导量子电路方面超越人工设计？
• RQ2 何种电路架构能够实现通量任意子之间强而抗噪声的四体耦合？
• RQ3 耦合器中的双势阱基态能否作为优化四体相互作用的可靠代理？
• RQ4 所发现的耦合器在耦合强度和噪声敏感度方面与现有方案相比表现如何？
• RQ5 哪些参数范围可确保所提出的四体耦合器在实验上的可行性？

主要发现

• SCILLA 顺利发现了一种四体耦合器设计，其耦合强度约为 200 MHz，显著高于具有相似拓扑结构的先前设计。
• 所提出的耦合器表现出更强的噪声鲁棒性，由于优化了电感和约瑟夫森结参数，对磁通噪声的敏感度降低。
• 全系统仿真证实，该耦合器可实现四体相互作用，且在简并点处的基态谱中呈现出清晰的双势阱结构。
• 通过参数扫描确定最优的任意子-耦合器互感为 38.25 pH，实现了对磁通位移的精确控制。
• 该设计在实验上具有可行性，其参数合理：约瑟夫森能量分别为 119 GHz 和 183 GHz，电感为 100 pH，旁路电容为 50 fF。
• 分层对角化方法在处理大规模希尔伯特空间时仍能准确模拟四量子比特系统，验证了电路的光谱特性。