CN114491859A - 超导量子芯片读出腔的自动化设计方法、装置及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种超导量子芯片读出腔的自动化设计方法、装置及存储介质；其中，方法包括：根据读出腔的初始设计频率确定CPW谐振器的长度；配置版图模板和仿真模板，用于配置CPW谐振器的几何图形坐标和尺寸参数以及读出腔的建模参数及仿真参数；基于版图模板和仿真模板构建带有叉指电容结构的读出腔的仿真模型，进行扫谱分析，并确定仿真频率；响应于仿真频率与初始设计频率的差值大于迭代阈值，以预设的频率偏移量调整初始设计频率，并更新版图模板和仿真模板；基于更新后的版图模板和仿真模板进行迭代分析，响应于获得的仿真频率与初始设计频率的差值小于等于迭代阈值，输出当前的版图模板。本发明方法能够快速的生成仿真模型，并获得更加准确的读出腔版图。
Description
技术领域
本发明涉及仿真设计领域，尤其涉及一种超导量子芯片读出腔的自动化设计方法、装置及存储介质。
背景技术
超导量子芯片是超导量子计算硬件系统中最核心的器件，所有量子比特都集成在该芯片上，通过微波操控执行量子逻辑门操作实现量子计算。超导量子芯片的关键电路元件包括约瑟夫森结和读出腔，其中，约瑟夫森结基于量子隧穿效应用于编码量子比特，读出腔为蜿蜒排布的四分之波长CPW(Coplanar waveguide，即共面波导)谐振器，用于在色散极限下对量子比特的状态进行测量。在超导量子芯片的结构中，读出腔的短路端或中间某一段与传输线耦合，读出腔的开路端依次与叉指电容器、十字电容器以及由两个约瑟夫森结并联构成的SQUID(Superconducting quantum interference device，即超导量子干涉仪)直接或间接耦合，其中，由十字电容器与SQUID耦合形成的宏观LC电路即为量子比特。
现有的超导量子芯片的读出腔的自动化设计方案主要存在以下问题：
1)利用四分之波长CPW计算公式或在线CPW计算工具得到的读出腔总长度不带叉指电容器，而读出腔需要通过叉指电容器与十字电容器耦合，叉指电容器本身具有不可忽略的几何尺寸，会增加微波在读出腔中传输的反射面，产生相位移动，导致读出腔仿真频率会向低频偏移。以蓝宝石衬底读出腔为例，读出腔中心导体宽度与接地宽度分别取4um和2um，叉指电容器指长在70-80um时，读出腔带叉指电容器时的仿真频率相比不带叉指电容器时的设计频率会向低频偏移400-500MHz。这会引起失谐从色散区向近共振区移动，导致测量错误。
2)用读出腔仿真频率代替测量频率，需要仿真模型接近真实条件，然而现有的超导量子芯片的读出腔的自动化设计仅能导出工程文件，工程文件类似一个参数记录表，其只包含读出腔仿真模型的金属层表面的CPW谐振器蜿蜒分布的几何图形尺寸参数，还需要人为补充设置厚度、材料、边界、端口、扫频、可视化等条件来完善仿真模型，从而在对读出腔的多轮的迭代建模过程中，需多次重复补充设置厚度、材料、边界、端口、扫频、可视化等条件的操作步骤，其将增加建模的时间并会引入人为错误。
发明内容
为了解决上述问题，在本发明的一个方面提出了一种超导量子芯片读出腔的自动化设计方法，所述方法包括：根据预设的读出腔的初始设计频率确定CPW谐振器的长度；配置版图模板和仿真模板，其中，版图模板用于配置CPW谐振器的几何图形坐标和尺寸参数，仿真模板用于配置读出腔的建模参数及仿真参数；基于所述版图模板和所述仿真模板构建带有叉指电容结构的读出腔的仿真模型；对所述仿真模型按照预设的梯度分析策略以相应的扫谱频率进行扫谱分析，并确定所述仿真模型的仿真频率；响应于所述仿真频率与所述初始设计频率的差值大于预设的迭代阈值，以预设的频率偏移量调整所述初始设计频率，并更新所述版图模板和所述仿真模板；基于更新后的版图模板和仿真模板进行迭代分析，响应于获得的仿真频率与所述初始设计频率的差值小于等于预设的迭代阈值，输出当前的版图模板。
在一个或多个实施例中，所述版图模板还配置用于设置初始设计频率及频率偏移量，并根据所述初始设计频率确定CPW谐振器的长度，并自动更新所述CPW谐振器的长度到所述尺寸参数中。
在一个或多个实施例中，所述版图模板的尺寸参数还包括：所述CPW谐振器的中心导体宽度、接地宽度、矩形部分的长度、环形部分的半径以及所述读出腔用于与量子比特耦合的叉指电容的叉指指长。
在一个或多个实施例中，所述CPW谐振器的几何图形坐标包括：所述CPW谐振器的矩形部分的左下角坐标以及所述CPW谐振器的环形部分的中心坐标。
在一个或多个实施例中，所述仿真模板的建模参数包括：所述CPW谐振器的衬底类型、衬底厚度、金属层厚度、空气层厚度以及所述读出腔与传输线的耦合形式。
在一个或多个实施例中，基于所述版图模板和所述仿真模板构建带有叉指电容结构的读出腔的仿真模型，包括：根据所述版图模板的建模参数获得所述CPW谐振器的自电容；根据所述CPW谐振器的自电容与预先获得的量子比特的自电容确定所述CPW谐振器与对应的所述量子比特的耦合强度；根据所述耦合强度与所述CPW谐振器的尺寸参数获得所述CPW谐振器与所述量子比特之间的叉指耦合电容；基于所述叉指耦合电容遍历预先获得的叉指耦合电容仿真模板，获得对应所述叉指耦合电容的叉指指长；更新所述版图模板；提取所述版图模板中的CPW谐振器的矩形部分的左下角坐标、矩形部分的长度以及环形部分的半径和中心坐标；将所述版图模板中的参数坐标及相关参数整体迁移到仿真软件中，并更新所述仿真模板中的CPW谐振器的矩形部分的左下角坐标、矩形部分的长度以及环形部分的半径和中心坐标；基于更新后的所述仿真模板构建带有叉指电容结构的读出腔的仿真模型。
在一个或多个实施例中，对所述仿真模型按照预设的梯度分析策略以相应的扫谱频率进行扫谱分析，包括：基于所述仿真模型以预设的初始扫谱频率及初始梯度进行扫谱分析，确定所述读出腔的频率范围；在前一次确定的读出腔的频率范围内，对所述仿真模型以更小的梯度进行扫谱分析；对所述仿真模型以至少两次缩小梯度后的扫谱分析结果确定所述读出腔的仿真频率。
在一个或多个实施例中，所述读出腔由蜿蜒排布的CPW谐振器形成，所述蜿蜒排布的CPW谐振器包括矩形部分以及圆环部分，响应于所述读出腔的设计频率更新，更新所述矩形部分的长度；其中，所述蜿蜒排布的CPW谐振器的总长度为根据所述读出腔的设计频率确定的CPW谐振器的长度。
在本发明的第二方面，提出了一种超导量子芯片读出腔的自动化设计装置，包括：输入端口，配置用于获取配置参数；输出端口，配置用于输出包括版图数据；处理模块，配置用于执行预设的计算机程序；存储模块，配置用于存储预设的计算机程序，所述计算机程序被执行时，用于实现如上述任一实施例中的超导量子芯片读出腔的自动化设计方法的步骤。
在本发明的第三方面，提出了一种可读存储介质，所述可读存储介质存储有可执行的计算机程序，所述计算机程序被执行时，用于实现如上述权利要求1-8任意一项所述的超导量子芯片读出腔的自动化设计方法的步骤。
本发明的有益效果包括：本发明通过版图模板和仿真模板实现了对读出腔相关参数的区分管理，将与读出腔的CPW谐振器的相关参数交由版图模板进行管理，将读出腔的其它参数交由仿真模板进行管理，由此能够通过版图模板与仿真模板的不同组合快速形成不同的读出腔的仿真模型，进而提升建模及仿真效率；并且，由于本发明的版图模板中还配置包括与叉指电容相关的参数，由此构建出的读出腔的仿真模型是带有叉指电容结构的，其可以实现读出腔的仿真频率与设计频率近似相等，从而使得此时获得读出腔的结构更加准确，更加符合实际需求；此外，根据本发明的超导量子芯片读出腔的自动化设计方法，设计人员仅需设置一些初始参数即可自动完成对读出腔的迭代优化，大大缩减了读出腔的设计工作，能够有效降低对人员需求并提升读出腔的设计效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
图1为本发明的超导量子芯片读出腔的自动化设计方法的工作流程图；
图2为CPW谐振器的结构示意图；
图3为读出腔通过叉指电容与量子比特的十字电容耦合的结构示意图；
图4为本发明通过参数迁移来构建仿真模型的过程示意图；
图5为本发明的用于梯度分析的DB["S"21]曲线示意图；
图6为本发明的阈值判断示意图；
图7为本发明的超导量子芯片读出腔的自动化设计方法具体实施例的工作流程图；
图8为本发明的超导量子芯片读出腔的自动化设计装置的结构示意图；
图9为本发明的可读存储介质的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
请参见图1，图1为本发明的超导量子芯片读出腔的自动化设计方法的工作流程图。本实施例中的超导量子芯片读出腔的自动化设计方法的工作流程包括：步骤S1、根据预设的读出腔的初始设计频率确定CPW(Coplanar waveguide，即共面波导)谐振器的长度；步骤S2、配置版图模板和仿真模板，其中，版图模板用于配置CPW谐振器的几何图形坐标和尺寸参数，仿真模板用于配置读出腔的建模参数及仿真参数；步骤S3、基于版图模板和仿真模板构建带有叉指电容结构的读出腔的仿真模型；步骤S4、对仿真模型按照预设的梯度分析策略以相应的扫谱频率进行扫谱分析，并确定仿真模型的仿真频率；步骤S5、响应于仿真频率与初始设计频率的差值大于预设的迭代阈值，以预设的频率偏移量调整初始设计频率，并更新版图模板和仿真模板；步骤S6、基于更新后的版图模板和仿真模板进行迭代分析，响应于获得的仿真频率与初始设计频率的差值小于等于预设的迭代阈值，输出当前的版图模板。
在本实施例中，本发明通过版图模板和仿真模板实现了对读出腔相关参数的区分管理，将与读出腔的CPW谐振器的相关参数交由版图模板进行管理，将读出腔的其它参数交由仿真模板进行管理，由此能够通过版图模板与仿真模板的不同组合快速形成不同的读出腔的仿真模型，进而提升建模及仿真效率；并且，由于本发明的版图模板中还配置包括与叉指电容相关的参数，由此构建出的读出腔的仿真模型是带有叉指电容结构的，其可以实现读出腔的仿真频率与设计频率近似相等，从而使得此时获得读出腔的结构更加准确，更加符合实际需求；此外，根据本发明的超导量子芯片读出腔的自动化设计方法，设计人员仅需设置一些初始参数即可自动完成对读出腔的迭代优化，大大缩减了读出腔的设计工作，能够有效降低对人员需求并提升读出腔的设计效率。
在一个可选的实施中，版图模板还配置用于设置初始设计频率及频率偏移量，并根据初始设计频率确定CPW谐振器的长度，并自动更新CPW谐振器的长度到所述尺寸参数中。即，在本实施例中，版图除了用于管理CPW谐振器的几何图形坐标和尺寸参数之外，还用于管理读出腔的初始设计频率及频率偏移量以方便对CPW谐振器的尺寸参数的更新。
在一些实施例中，版图模板的尺寸参数还包括：CPW谐振器的中心导体宽度、接地宽度、矩形部分的长度、环形部分的半径以及读出腔用于与量子比特耦合的叉指电容的叉指指长。其中，CPW谐振器的中心导体宽度、接地宽度可以配置为默认值。
具体的，CPW谐振器的结构请参见附图2，图2为CPW谐振器的结构示意图。如图2所示，CPW谐振器由在衬底层表面制备的三条平行的金属薄膜导体层组成，三条平行的金属薄膜导体的一端开路，另一端短路连接。其中，小写字母l所示出的长度为CPW谐振器的中心导体长度，也即为根据读出腔的初始设计频率确定的CPW谐振器的长度。由于超导量子芯片的尺寸有限，因此，在一些具体实施方式中需要将CPW谐振器蜿蜒盘布成如图4中所示出的形状，由此，就形成了CPW谐振器的矩形部分以及圆环部分。其中，图2中小写字母s示出的即为CPW谐振器的中心导体宽度，小写字母w示出的即为CPW谐振器的接地宽度。
在一个实施例中，当因设计频率改变导致CPW谐振器的长度改变时，可以仅改变每一段蜿蜒的矩形部分的长度来实现改变CPW谐振器的长度。
在一个实施例中，CPW谐振器的几何图形坐标包括：CPW谐振器的矩形部分的左下角坐标以及CPW谐振器的环形部分的中心坐标。其中，当CPW谐振器的矩形部分的左下角坐标以及CPW谐振器的环形部分的中心坐标确定后，结合上述实施例中获得的每一段蜿蜒的矩形部分的长度即可绘制出读出腔结构，其形状如图4中的蜿蜒结构。
在一个实施例中，仿真模板的建模参数包括：CPW谐振器的衬底类型、衬底厚度、金属层厚度、空气层厚度以及读出腔与传输线的耦合形式。其中，衬底类型包括蓝宝石衬底或高阻硅衬底；读出腔与传输线的耦合形式包括电容耦合型或电感耦合型。其中，不同材料的衬底具有不同的介电常数，因此，与之匹配的CPW谐振器的中心导体宽度和接地宽度也将不同；电容耦合型和电感耦合型所对应的CPW蜿蜒形式也将不同，具体差异请参见图4中的两种耦合形式下的蜿蜒结构。
在一个实施中，基于本发明的版图模板和仿真模板构建带有叉指电容结构的读出腔的仿真模型，包括：根据版图模板的建模参数获得CPW谐振器的自电容；根据CPW谐振器的自电容与预先获得的量子比特的自电容确定CPW谐振器与对应的量子比特的耦合强度；根据耦合强度与CPW谐振器的尺寸参数获得CPW谐振器与量子比特之间的叉指耦合电容；基于叉指耦合电容遍历预先获得的叉指耦合电容仿真模板，获得对应叉指耦合电容的叉指指长；更新版图模板。具体的，请参见图3，图3为读出腔通过叉指电容与量子比特的十字电容耦合的结构示意图。如图3所示，llD所示出的长度即为叉指电容的指长。
在进一步的实施例中，基于版图模板和仿真模板构建带有叉指电容结构的读出腔的仿真模型，还包括：提取版图模板中的CPW谐振器的矩形部分的左下角坐标、矩形部分的长度以及环形部分的半径和中心坐标；将版图模板中的参数坐标及相关参数整体迁移到仿真软件中，并更新仿真模板中的CPW谐振器的矩形部分的左下角坐标、矩形部分的长度以及环形部分的半径和中心坐标；基于更新后的仿真模板构建带有叉指电容结构的读出腔的仿真模型。在一个可选实施例中，初始时，仿真模板没有CPW谐振器的相关坐标参数，而是需要为其匹配相应的版图模板后由版图模板中进行参数迁移而获得CPW谐振器的相关坐标参数，并在后续过程中随着版图模板的更新而更新。
具体的，请参见图4，图4为本发明通过参数迁移来构建仿真模型的过程示意图。基于版图模板中的相关参数绘制出的读出腔的蜿蜒结构如图中左侧视图所示，其中，示出了两种不同的读出腔与传输线的耦合形式，分别为电容耦合型和电感耦合型。基于版图模板仅能绘制出读出腔的平面结构，需要将版图模板中的相关参数进行参数迁移到仿真软件中的仿真模板，从而形成如图4右侧视图所示出的读出腔的立体结构。
在一个实施中，对仿真模型按照预设的梯度分析策略以相应的扫谱频率进行扫谱分析，包括：基于仿真模型以预设的初始扫谱频率及初始梯度进行扫谱分析，确定读出腔的频率范围；在前一次确定的读出腔的频率范围内，对仿真模型以更小的梯度进行扫谱分析；对仿真模型以至少两次缩小梯度后的扫谱分析结果确定读出腔的仿真频率。
为了能够更加清楚完整的阐述本发明的超导量子芯片读出腔的自动化设计方法，以下将通过一个更加完整的具体实施例进行说明：
具体实施例
(1)模板预设
模板分为版图模板和仿真模板，版图模板用于绘制读出腔版图并提取坐标，仿真模板主要作用是确定将要仿真的读出腔的衬底材料，从而确定读出腔的金属层与衬底之间的介电常数，从而确定读出腔的阻抗；以及将由版图模板中提取的坐标迁移到仿真模型中进行重新建模。版图模板根据选择衬底不同，将会形成蓝宝石版图模板和高阻硅版图模板，相应的预设的CPW中心导体宽度与接地宽度比值各自满足阻抗匹配(可根据仿真模板中的材料而在版图模板中自动生成默认的中心导体宽度与接地宽度)；根据与输入输出传输线的耦合形式不同，分为电容耦合版图模板和电感耦合版图模板；为了便于快速建模和频率仿真，仿真模板中已经预设了衬底层厚度、金属层厚度、空气层厚度、材料属性、最小网格尺寸、端口位置、扫描形式、结果可视化等参数。通过版图模板和仿真模板的组合，可以形成如表1所示的多种组合，具体请参见下方表1：
表1.组合类型
其中，电容耦合型和电感耦合型对应版图中读出腔与输入输出传输线的耦合形式为保证短路位置将会采用不同的CPW蜿蜒形式。本发明将通过仿真模板与版图模板配套使用实现对读出腔的频率仿真，另外本发明还将为仿真叉指指长而建立的仿真模板，以对叉指电容进行电容仿真。
(2)根据设计频率计算四分之一波长的CPW长度
根据色散读出要求，读出腔的设计频率ωr/2π要比量子比特的跃迁频率ωq/2π高1GHz以上。读出腔为四分之波长CPW，物理长度l与中心频率f之间满足：
其中c为真空光速，εeff为衬底和金属层之间的有效介电常数。第一次计算时按f＝ωr/2π+Υ，Υ＝0.5GHz为预设的叉指导致的频率偏移，迭代优化时f取值需考虑仿真频率ωs/2π与设计频率ωr/2π之间的差值。一般εeff的计算值由椭圆积分给出，但在超导量子芯片中，金属层厚度t～0.1μm,衬底厚度h～500μm，衬底相对金属层非常厚，可以使用如下近似：
其中εr为衬底的相对介电常数，蓝宝石：εr＝10.34，高阻硅：εr＝11.9。读出腔还需考虑阻抗匹配，其特征阻抗与中心导体宽度和接地宽度比值有关，满足：
其中k0＝s/(s+2w)，
s为读出腔中心导体宽度，w为读出腔接地宽度，K为第一类完全椭圆积分。微波电路特征阻抗Z0～50Ω，要求蓝宝石衬底和高阻硅衬底的CPW中心导体宽度和接地宽度分别近似满足2:1和5:3。
(3)根据耦合强度确定叉指电容指长
根据读出腔-量子比特的耦合强度计算可得到叉指耦合电容。以读出腔与接地Transmon量子比特耦合为例，叉指耦合电容与耦合强度之间满足：
这里g为读出腔-量子比特的耦合强度，Cr＝π/(4ωrZ0)为读出腔自电容，Cq＝8Lε0(1+εr)K(k)/K(k′)为量子比特自电容也即十字电容的自电容，其中ε0＝8.85×10-12F/m为真空介电常数，L为十字电容臂长，K为第一类完全椭圆积分，其中k＝S/(S+2W)，
S和W分别为十字电容中心导体宽度和接地宽度。
得到叉指耦合电容Cg后，调用对应衬底的叉指仿真电容-叉指指长文本文件，遍历f＝ωr/2π处的所有叉指仿真电容C(2)，选择最接近Cg的C(2)对应的叉指电容指长lID，作为设计频率ωr/2π下的读出腔叉指电容指长参数。如果没有对应衬底的叉指仿真电容-叉指指长文本文件，应先进行叉指电容仿真。先调用版图模板，提取叉指电容部分坐标，再调用电容仿真模板，将提取的坐标迁移到叉指电容模型中，进行二端口网络分析，端口分别设在叉指与读出腔交界处和耦合的十字电容臂上。对叉指电容指长进行参数化扫描，对仿真结果进行传输特性分析，保存C(2)关于扫谱频率f和叉指指长的所有仿真结果，作为本地的叉指仿真电容-叉指指长文本文件。C(2)满足：
其中Y21为传输特性中的导纳系数，其将预存在本地的叉指仿真电容-叉指指长文本文件中。
(4)参数迁移
参数迁移连接版图模板和仿真模板，可将版图模板上更新的坐标参数迁移到仿真模型上，以进行快速建模。读出腔版图绘制完成后，提取版图模板中绘制的读出腔各段矩形图形的长度和左下角坐标，以及环形图形的半径和中心坐标，迁移到频率仿真模板中用以替换预设的读出腔各段矩形图形的长度和左下角坐标，以及环形图形的半径和中心坐标，完成仿真建模。
(5)梯度分析和自适应扫谱
请参见附图5，图5为本发明的用于梯度分析的DB["S"21]曲线示意图。梯度分析用于寻找仿真频率。仿真模板预设线性微波扫谱，采用传输特性中的传输系数S21表征读出腔仿真频率。当输入微波频率与读出腔频率共振时，DB[S21]曲线表现为该频率点处的一个信号峰。由于DB[S21]＝20lg(S21)<0，利用梯度寻找曲线最低点，当满足：
其中Δ为扫谱频率间隔，则频率点k处即为读出腔仿真频率ωs(k)/2π。
自适应扫谱分为粗扫描、细扫谱和微扫谱，粗扫谱的扫谱范围[ωr/2π-0.5GHz,ωr/2π+0.5GHz,Δ1]，其中Δ1～0.05GHz为粗扫谱间隔，共21个频率点，得到粗仿真频率ωs(i)/2π；细扫谱重新设置扫谱范围[ωs(i)/2π-Δ1,ωs(i)/2π+Δ1,Δ2]，其中Δ2～0.01GHz为细扫谱间隔，共11个频率点，得到细仿真频率ωs(j)/2π；微扫谱目的是得到与色散移动同精度(MHz)的读出腔仿真频率，再次重新设置扫谱范围[ωs(j)/2π-Δ2,ωs(j)/2π+Δ2,Δ3]，其中Δ3～0.001GHz为细扫谱间隔，共21个频率点，得到最后的仿真频率ωs/2π。每次扫谱得到的仿真数据都保存到本地，用于最后的传输曲线绘制。通过三次扫谱节省时间成本。
(6)阈值判断和迭代优化
请参见附图6，图6为本发明的阈值判断示意图。根据阈值判断决定是否进行迭代优化。设置阈值δ＝0.001GHz，当仿真频率与设计频率差值小于等于阈值，即满足：
|ωs/2π-ωr/2π|≤δ
说明已实现读出腔设计频率和仿真频率的匹配，直接输出仿真频率和对应的读出腔尺寸参数、版图文件(根据版图文件即可绘制读出腔的平面结构)。否则，调整Υ＝0.5GHz-(ωs/2π-ωr/2π)，重新计算CPW长度(只改变读出腔可变矩形长度)，进行迭代优化。
图7为本发明的超导量子芯片读出腔的自动化设计方法具体实施例的工作流程图。如图7所示，本发明在建模过程中考虑了叉指电容对读出腔的仿真频率的影响，通过计算叉指电容的指长，并将其加入到读出腔的仿真模型中，使得当仿真频率与设计频率近似相等时输出的读出腔的版图模板及尺寸参数更加准确，符合实际需求。
在本发明的另一方面，提出了一种超导量子芯片读出腔的自动化设计装置。图8为本发明的超导量子芯片读出腔的自动化设计装置的结构示意图。如图8所示，本发明的超导量子芯片读出腔的自动化设计装置包括：输入端口10，配置用于获取配置参数；输出端口20，配置用于输出包括版图数据；处理模块30，配置用于执行预设的计算机程序；存储模块40，配置用于存储预设的计算机程序，该计算机程序被执行时，用于实现如任一实施例中的超导量子芯片读出腔的自动化设计方法的步骤。
在本发明的又一方面，提出了一种可读存储介质。图9为本发明的可读存储介质的结构示意图。如图9所示，本发明的可读存储介质500中存储有可执行的计算机程序501，该计算机程序501被执行时，用于实现如上述任一实施例中的超导量子芯片读出腔的自动化设计方法的步骤。
以上是本发明公开的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的本发明实施例公开的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。
应当理解的是，在本文中使用的，除非上下文清楚地支持例外情况，单数形式“一个”旨在也包括复数形式。还应当理解的是，在本文中使用的“和/或”是指包括一个或者一个以上相关联地列出的项目的任意和所有可能组合。
上述本发明实施例公开实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超导量子芯片读出腔的自动化设计方法，其特征在于，所述方法包括：
根据预设的读出腔的初始设计频率确定CPW谐振器的长度；
配置版图模板和仿真模板，其中，版图模板用于配置CPW谐振器的几何图形坐标和尺寸参数，仿真模板用于配置读出腔的建模参数及仿真参数；
基于所述版图模板和所述仿真模板构建带有叉指电容结构的读出腔的仿真模型；
对所述仿真模型按照预设的梯度分析策略以相应的扫谱频率进行扫谱分析，并确定所述仿真模型的仿真频率；
响应于所述仿真频率与所述初始设计频率的差值大于预设的迭代阈值，以预设的频率偏移量调整所述初始设计频率，并更新所述版图模板和所述仿真模板；
基于更新后的版图模板和仿真模板进行迭代分析，响应于获得的仿真频率与所述初始设计频率的差值小于等于预设的迭代阈值，输出当前的版图模板。
2.如权利要求1所述的超导量子芯片读出腔的自动化设计方法，其特征在于，所述版图模板还配置用于设置初始设计频率及频率偏移量，并根据所述初始设计频率确定CPW谐振器的长度，并自动更新所述CPW谐振器的长度到所述尺寸参数中。
3.如权利要求2所述的超导量子芯片读出腔的自动化设计方法，其特征在于，所述版图模板的尺寸参数还包括：
所述CPW谐振器的中心导体宽度、接地宽度、矩形部分的长度、环形部分的半径以及所述读出腔用于与量子比特耦合的叉指电容的叉指指长。
4.如权利要求3所述的超导量子芯片读出腔的自动化设计方法，其特征在于，所述CPW谐振器的几何图形坐标包括：
所述CPW谐振器的矩形部分的左下角坐标以及所述CPW谐振器的环形部分的中心坐标。
5.如权利要求1所述的超导量子芯片读出腔的自动化设计方法，其特征在于，所述仿真模板的建模参数包括：所述CPW谐振器的衬底类型、衬底厚度、金属层厚度、空气层厚度以及所述读出腔与传输线的耦合形式。
6.如权利要求1所述的超导量子芯片读出腔的自动化设计方法，其特征在于，基于所述版图模板和所述仿真模板构建带有叉指电容结构的读出腔的仿真模型，包括：
根据所述版图模板的建模参数获得所述CPW谐振器的自电容；
根据所述CPW谐振器的自电容与预先获得的量子比特的自电容确定所述CPW谐振器与对应的所述量子比特的耦合强度；
根据所述耦合强度与所述CPW谐振器的尺寸参数获得所述CPW谐振器与所述量子比特之间的叉指耦合电容；
基于所述叉指耦合电容遍历预先获得的叉指耦合电容仿真模板，获得对应所述叉指耦合电容的叉指指长；
更新所述版图模板；
提取所述版图模板中的CPW谐振器的矩形部分的左下角坐标、矩形部分的长度以及环形部分的半径和中心坐标；
将所述版图模板中的参数坐标及相关参数整体迁移到仿真软件中，并更新所述仿真模板中的CPW谐振器的矩形部分的左下角坐标、矩形部分的长度以及环形部分的半径和中心坐标；
基于更新后的所述仿真模板构建带有叉指电容结构的读出腔的仿真模型。
7.如权利要求1所述的超导量子芯片读出腔的自动化设计方法，其特征在于，对所述仿真模型按照预设的梯度分析策略以相应的扫谱频率进行扫谱分析，包括：
基于所述仿真模型以预设的初始扫谱频率及初始梯度进行扫谱分析，确定所述读出腔的频率范围；
在前一次确定的读出腔的频率范围内，对所述仿真模型以更小的梯度进行扫谱分析；
对所述仿真模型以至少两次缩小梯度后的扫谱分析结果确定所述读出腔的仿真频率。
8.如权利要求1-7任意一项所述的超导量子芯片读出腔的自动化设计方法，其特征在于，所述读出腔由蜿蜒排布的CPW谐振器形成，所述蜿蜒排布的CPW谐振器包括矩形部分以及圆环部分，响应于所述读出腔的设计频率更新，更新所述矩形部分的长度；
其中，所述蜿蜒排布的CPW谐振器的总长度为根据所述读出腔的设计频率确定的CPW谐振器的长度。
9.一种超导量子芯片读出腔的自动化设计装置，其特征在于，包括：
输入端口，配置用于获取配置参数；
输出端口，配置用于输出包括版图数据；
处理模块，配置用于执行预设的计算机程序；
存储模块，配置用于存储预设的计算机程序，所述计算机程序被执行时，用于实现如上述权利要求1-8任意一项所述的超导量子芯片读出腔的自动化设计方法的步骤。
10.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质存储有可执行的计算机程序，所述计算机程序被执行时，用于实现如上述权利要求1-8任意一项所述的超导量子芯片读出腔的自动化设计方法的步骤。
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Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115017859A (zh) * | 2022-07-26 | 2022-09-06 | 阿里巴巴达摩院(杭州)科技有限公司 | 版图生成方法、装置、计算机可读存储介质及计算机设备 |
| CN115048901A (zh) * | 2022-08-16 | 2022-09-13 | 阿里巴巴达摩院(杭州)科技有限公司 | 量子版图优化方法、装置及计算机可读存储介质 |
| CN115169569A (zh) * | 2022-07-22 | 2022-10-11 | 北京百度网讯科技有限公司 | 超导量子芯片设计方法及装置、电子设备和介质 |
| CN115329973A (zh) * | 2022-08-04 | 2022-11-11 | 北京百度网讯科技有限公司 | 仿真方法、装置、设备及存储介质 |
| CN115329974A (zh) * | 2022-08-04 | 2022-11-11 | 北京百度网讯科技有限公司 | 仿真方法、装置、设备及存储介质 |
| CN115511095A (zh) * | 2022-10-11 | 2022-12-23 | 北京百度网讯科技有限公司 | 含耦合器超导量子比特结构的设计信息输出方法及装置 |
| CN115659893A (zh) * | 2022-10-31 | 2023-01-31 | 北京百度网讯科技有限公司 | 超导量子芯片中滤波器的版图信息输出方法及装置 |
| CN115660094A (zh) * | 2022-10-17 | 2023-01-31 | 北京百度网讯科技有限公司 | 含耦合器超导量子比特结构的特征参数确定方法及装置 |
| CN115828823A (zh) * | 2022-11-02 | 2023-03-21 | 北京百度网讯科技有限公司 | 超导量子芯片中读取腔与滤波器的版图信息输出方法及装置 |
| CN115965087A (zh) * | 2022-10-21 | 2023-04-14 | 中国人民解放军战略支援部队信息工程大学 | 超导量子比特自电容小型化设计方法及超导量子比特自电容 |
| CN116341454A (zh) * | 2023-03-31 | 2023-06-27 | 北京百度网讯科技有限公司 | 超导量子芯片的耦合关断点信息生成方法、装置和介质 |
| CN116522853A (zh) * | 2023-06-28 | 2023-08-01 | 苏州浪潮智能科技有限公司 | 一种数据处理方法、装置及介质 |
| CN117226853A (zh) * | 2023-11-13 | 2023-12-15 | 之江实验室 | 一种机器人运动学标定的方法、装置、存储介质、设备 |
-
2022
- 2022-01-28 CN CN202210107429.5A patent/CN114491859A/zh active Pending
Cited By (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115169569A (zh) * | 2022-07-22 | 2022-10-11 | 北京百度网讯科技有限公司 | 超导量子芯片设计方法及装置、电子设备和介质 |
| CN115017859A (zh) * | 2022-07-26 | 2022-09-06 | 阿里巴巴达摩院(杭州)科技有限公司 | 版图生成方法、装置、计算机可读存储介质及计算机设备 |
| CN115329974B (zh) * | 2022-08-04 | 2023-09-01 | 北京百度网讯科技有限公司 | 仿真方法、装置、设备及存储介质 |
| CN115329973A (zh) * | 2022-08-04 | 2022-11-11 | 北京百度网讯科技有限公司 | 仿真方法、装置、设备及存储介质 |
| CN115329974A (zh) * | 2022-08-04 | 2022-11-11 | 北京百度网讯科技有限公司 | 仿真方法、装置、设备及存储介质 |
| CN115329973B (zh) * | 2022-08-04 | 2023-09-26 | 北京百度网讯科技有限公司 | 仿真方法、装置、设备及存储介质 |
| CN115048901A (zh) * | 2022-08-16 | 2022-09-13 | 阿里巴巴达摩院(杭州)科技有限公司 | 量子版图优化方法、装置及计算机可读存储介质 |
| CN115511095A (zh) * | 2022-10-11 | 2022-12-23 | 北京百度网讯科技有限公司 | 含耦合器超导量子比特结构的设计信息输出方法及装置 |
| CN115660094A (zh) * | 2022-10-17 | 2023-01-31 | 北京百度网讯科技有限公司 | 含耦合器超导量子比特结构的特征参数确定方法及装置 |
| CN115965087A (zh) * | 2022-10-21 | 2023-04-14 | 中国人民解放军战略支援部队信息工程大学 | 超导量子比特自电容小型化设计方法及超导量子比特自电容 |
| CN115659893A (zh) * | 2022-10-31 | 2023-01-31 | 北京百度网讯科技有限公司 | 超导量子芯片中滤波器的版图信息输出方法及装置 |
| CN115659893B (zh) * | 2022-10-31 | 2023-06-27 | 北京百度网讯科技有限公司 | 超导量子芯片中滤波器的版图信息输出方法及装置 |
| CN115828823A (zh) * | 2022-11-02 | 2023-03-21 | 北京百度网讯科技有限公司 | 超导量子芯片中读取腔与滤波器的版图信息输出方法及装置 |
| CN116341454A (zh) * | 2023-03-31 | 2023-06-27 | 北京百度网讯科技有限公司 | 超导量子芯片的耦合关断点信息生成方法、装置和介质 |
| CN116522853A (zh) * | 2023-06-28 | 2023-08-01 | 苏州浪潮智能科技有限公司 | 一种数据处理方法、装置及介质 |
| CN116522853B (zh) * | 2023-06-28 | 2023-11-03 | 苏州浪潮智能科技有限公司 | 一种数据处理方法、装置及介质 |
| CN117226853A (zh) * | 2023-11-13 | 2023-12-15 | 之江实验室 | 一种机器人运动学标定的方法、装置、存储介质、设备 |
| CN117226853B (zh) * | 2023-11-13 | 2024-02-06 | 之江实验室 | 一种机器人运动学标定的方法、装置、存储介质、设备 |
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