Qiskit Metalを使ってみた

Qiskit Metalとは、超伝導型の量子コンピューターデバイスの設計開発と解析ができるオープンソースのフレームワークです。ライブラリーを使って比較的簡単に量子デバイスをデザインすることができ、様々な電磁界シミュレーター（Ansys HFSSなど）と接続して、量子ビット周波数、非調和性など必要なパラメーターをシミュレーションし、その結果をもとにレイアウトを調整していくことができます。

インストール

（正式なインストールガイドはこちらです。）
Conda環境を用意し、

pip install qiski-metal

でインストールできますが、関連するライブラリーがインストールされていないとうまく動かないので、以下のように、Qiskit Metalのgithubリポジトリーからenvironment.ymlを使って新しいconda環境を作ってからインストールすると良さそうです。

git clone https://github.com/Qiskit/qiskit-metal.git
cd qiskit-metal

conda env create -n <環境の名前> environment.yml
conda activate <環境の名前>
python -m pip install --no-deps -e .

最後の「.(ピリオド)」を忘れずに。

全体の流れ

Qiskit Metalによる量子チップデザイン開発の基本のフローは、

1. チップをデザイン（量子ビット、バス、Readout線、制御線など）
2. 解析
3. デザイン調整（解析と調整を繰り返す）
4. デザイン決定
5. GDS file (半導体レイアウトデータのファイル) に出力
6. チップを製造

となりますが、「2. 解析」には、Ansysなどのシミュレーターが必要になるため、今回は「1. チップをデザイン」のみやってみます。Qiskit Metalがインストールされた環境で、Jupyter notebookから実行しました。

Metal GUIの起動

モジュールが変更されたときのためにモジュールの自動リロードを可能にし、必要なライブラリーをimportします。

# モジュールの自動リロードを有効にします
%load_ext autoreload
%autoreload 2

import qiskit_metal as metal
from qiskit_metal import designs, draw
from qiskit_metal import MetalGUI, Dict, open_docs

designsの中から、平面図面の基本的な機能を提供するDesignPlanar()を選択し、以下でMetal GUIを起動します。

design = designs.DesignPlanar()
gui = MetalGUI(design)

量子ビットのレイアウト

Metal GUIが表示できたら、GUI上のLibraryからTransmonPocketを選んで「Create」を選ぶことで右側メインビューにトランズモン量子ビットを作成・レイアウトできます。

または、以下のようにJupyter notebookからコードでも作成することができます。
QLibraryから、TransmonPocketを選んで、Q1という名前のトランズモン量子ビットを作成します。

from qiskit_metal.qlibrary.qubits.transmon_pocket import TransmonPocket

q1 = TransmonPocket(design, 'Q1')

gui.rebuild()  # デザインとプロットを再構築します
gui.edit_component('Q1') # GUI左下のOption表示をQ1のものに更新
gui.autoscale()
gui.screenshot() # jupyter notebook上にもGUIを表示します

この量子ビットQ1の形状を変更するには、Metal GUI上でも左下のOptionsの値を手動で変更することで可能ですが、以下のようにJupyter notebook上のコードでも変更できます。

# オプションを変える
q1.options.pos_x = '0.5 mm'
q1.options.pos_y = '0.25 mm'
q1.options.pad_height = '225 um'
q1.options.pad_width  = '250 um'
q1.options.pad_gap    = '50 um'

# オプションを変えたので、ジオメトリをUpdateする
gui.rebuild()
gui.edit_component('Q1') 
gui.autoscale()

量子ビットの位置とパッドの厚み、間隔が変更されました。

量子ビットにピンをつける

量子ビットQ1に a、b、c、dという名前の4つのコネクターピンを追加します。一度すべてのqcomponentsを消去した後（または、既存のcomponentの上書きを可能にした後）、オプションでピンを設定して、そのオプション付きのqcomponentオブジェクトQ1を作成します。

design.delete_all_components() # 一度全て消します。
# design.overwrite_enabled = True を上記の代わりに使っても良いです。

# オプションでピンを設定
options = dict(
    connection_pads=dict(  
        a = dict(loc_W=+1,loc_H=+1), #右上
        b = dict(loc_W=-1,loc_H=+1, pad_height='30um'), #左上
        c = dict(loc_W=+1,loc_H=-1, pad_width='200um'), #右下
        d = dict(loc_W=-1,loc_H=-1, pad_height='50um') #左下
    )
)
# オプション付きで再び量子ビットのqcomponentオブジェクトを作成
q1 = TransmonPocket(design, 'Q1', options = dict(pos_x='+0.5mm', pos_y='+0.5mm', **options))

# デザインを再構築して表示
gui.rebuild()
gui.edit_component('Q1') 
gui.autoscale()

これで、1つの量子ビットに4つのピンをつける方法が分かりました。次は、４量子ビットを配置して、配線し、量子チップ全体を作成します。

複数量子ビットをコネクタで接続する

まず、先ほどの方法でオプションを作り、そのオプションで4つのトランズモンQ1、Q2、Q3、Q4を作成します。

design.overwrite_enabled = True # 既存のコンポーネントの上書きを可能に

# 全てのトランズモンへのカスタムオプション
options = dict(
    pad_width = '425 um', 
    pocket_height = '650um',
    connection_pads=dict( 
        a = dict(loc_W=+1,loc_H=+1), 
        b = dict(loc_W=-1,loc_H=+1, pad_height='30um'),
        c = dict(loc_W=+1,loc_H=-1, pad_width='200um'),
        d = dict(loc_W=-1,loc_H=-1, pad_height='50um')
    )
)

# 4つのトランズモンを作成
q1 = TransmonPocket(design, 'Q1', options = dict(
    pos_x='+2.55mm', pos_y='+0.0mm', **options))
q2 = TransmonPocket(design, 'Q2', options = dict(
    pos_x='+0.0mm', pos_y='-0.9mm', orientation = '90', **options))
q3 = TransmonPocket(design, 'Q3', options = dict(
    pos_x='-2.55mm', pos_y='+0.0mm', **options))
q4 = TransmonPocket(design, 'Q4', options = dict(
    pos_x='+0.0mm', pos_y='+0.9mm', orientation = '90', **options))

# デザインを再構築
gui.rebuild()
gui.autoscale()

次に、コプレナー導波路(coplanar waveguides (CPW))で4つのトランズモンをつなぎます。QLibraryから基本的なCPW QComponentであるRouteMeanderというメアンダラインのクラスをインポートします。（メアンダ形状とは、導線を折り曲げてジグザグ状にした構造です。）オプションを以下のようにセットして、Q1とQ2をつないでみます。

from qiskit_metal.qlibrary.tlines.meandered import RouteMeander

options = Dict(
    total_length= '6mm', # 配線長
    pin_inputs=Dict(
        start_pin=Dict(
            component= 'Q1', # 量子ビット
            pin= 'd'), # ピン
        end_pin=Dict(
            component= 'Q2',
            pin= 'c')),
    lead=Dict(
        start_straight='0.1mm', # ピンからのクリアランス
        end_straight='0.1mm'),
    meander=Dict(
       asymmetry='0mm'), # 位置
    fillet = '90um' # 角を丸める
)


cpw1 = RouteMeander(design,'cpw1', options=options)
gui.rebuild()
gui.autoscale()

Q1とQ2がメアンダラインでつながりました。
関数を定義して、同じメアンダラインを繰り返し使って4つのトランズモン全てを接続します。

options = Dict(
    meander=Dict(
        lead_start='0.1mm',
        lead_end='0.1mm',
        asymmetry='0 um')
)


def connect(component_name: str, component1: str, pin1: str, component2: str, pin2: str,
            length: str,
            asymmetry='0 um', flip=False):
    """Connect two pins with a CPW."""
    myoptions = Dict(
        pin_inputs=Dict(
            start_pin=Dict(
                component=component1,
                pin=pin1),
            end_pin=Dict(
                component=component2,
                pin=pin2)),
        lead=Dict(
            start_straight='0.13mm'
        ),
        total_length=length,
    fillet = '90um')
    myoptions.update(options)
    myoptions.meander.asymmetry = asymmetry
    myoptions.meander.lead_direction_inverted = 'true' if flip else 'false'
    return RouteMeander(design, component_name, myoptions)


asym = 150
cpw1 = connect('cpw1', 'Q1', 'd', 'Q2', 'c', '6.0 mm', f'+{asym}um')
cpw2 = connect('cpw2', 'Q3', 'c', 'Q2', 'a', '6.1 mm', f'-{asym}um', flip=True)
cpw3 = connect('cpw3', 'Q3', 'a', 'Q4', 'b', '6.0 mm', f'+{asym}um')
cpw4 = connect('cpw4', 'Q1', 'b', 'Q4', 'd', '6.1 mm', f'-{asym}um', flip=True)

gui.rebuild()
gui.autoscale()

これで4つのトランズモン間の配線までが完了しました。
今回はここまでにします。

Metal GUIを閉じる

Metal GUIを閉じるには、直接、GUI上で「python」 -> 「Quit」などで画面を閉じるか、またはJupyter notebook上で以下のようにします。

gui.main_window.close()

参考文献：

• Qiskit Metal TutorialsのQuick Start