本文原刊登于 Ansys.com：《Connecting the Dots: Transforming Quantum Computing With Photonics and Simulation》
作者：Emily Gerken | 新思科技旗下Ansys资深媒体关系专员
编辑整理：陈媛 | Ansys 主任应用工程师
“假如设计和制造周期大约需要四个月。如果没有仿真，很可能会白白浪费四个月的时间——因为只能依赖实际测试结果，而且还可能需要再进行一轮设计迭代。”
——Christopher Axline，Miraex首席技术官
从优化物流网络到彻底改变药物发现，量子计算有望解决当今最强大超级计算机都无法攻克的难题。但问题在于：构建和扩展量子计算机是一项巨大的挑战，不仅需要在软件方面进行创新，而且还需要在支撑这些突破性机器的硬件方面进行创新。这正是光子学（即利用光传输信息的学科）发挥作用的地方。在光子学与量子计算的交叉领域，Miraex正致力于推动实现量子计算所需的硬件创新。Miraex总部位于瑞士埃库布朗，其正在新思科技旗下Ansys的帮助下，应对量子系统的复杂性挑战。
一枚采用超导电路引线键合并准备进行低温测试的芯片，侧面的切口允许光学接入
Miraex于2024年顺利完成了Ansys初创公司计划。这是一家规模小但富有创新精神的公司，获得了由Ansys精英渠道合作伙伴CADFEM提供的支持。Miraex的使命是在更大规模的网络中连接量子组件（尤其是超导量子比特），同时持续提升在其平台上连接光量子比特的能力，包括实现光到光转换，从而实现更广泛的网络互联。当今的计算机使用电子来处理和传输信息，而量子计算机则可以从光子学中显著获益。
量子转换器原型被装入稀释制冷机中，在超导量子比特通常工作的温度下（<0.1 K）进行测试
Miraex致力于开发专用硬件，将用于超导量子比特的微波频率信号转换为光信号。这些光信号随后可以通过光纤电缆传输，并最大限度地减少损耗和干扰。其目标是建立量子数据中心，使量子设备能够无缝通信，并通过Miraex的前沿光学系统连接起来。
通过解决信号干扰和量子组件之间的兼容性等挑战，Miraex为量子计算机的设计和可扩展性带来了新的可能性。
利用仿真应对量子挑战
在设计量子硬件时，不能依靠推测。仿真可确保在实际制造单个组件之前先实现优化设计，因此发挥着关键作用。Miraex将Ansys仿真工具作为工作流程的基石，其中Ansys HFSS高频电磁仿真软件、Ansys Lumerical套件和Ansys Maxwell高级电磁场求解器等工具，对于微波和光学电路设计至关重要。
Miraex首席技术官Christopher Axline表示： “我们正在将许多我们已非常了解的结构，以相当复杂的方式集成在一起。我们需要借助仿真来验证，当将所有组件整合在一起时，系统是否仍能正常运行。”
该量子转换器仿真模型经过电磁仿真验证，包含由超导材料和电光材料构成的复杂叠层结构，以及光子波导和面外空气桥交叉结构。该设计由一个“光子分子”和一个准集总元件微波谐振器组成，其中“光子分子”由两个相互耦合的跑道形光学谐振器构成
量子计算本身也面临着一系列独特的挑战。从扩展量子器件到管理信号干扰（串扰），再到应对极端热条件，构建强大的量子网络并非易事。Miraex在开发量子系统光学硬件时，每天都会遇到这些挑战。
其中一个关键问题，是量子器件运行所需的低温环境。超导量子比特及其支撑硬件必须在接近绝对零度的温度下运行，因此热管理成为了首要任务。借助仿真工具，Miraex能够对其组件在这种极端条件下的性能进行建模，从而确保有效的散热。热量管理至关重要：如果产生的热量过多，可能会直接影响量子比特，或超出系统的冷却能力。一旦发生这种情况，量子处理器将无法高效扩展，从而限制系统的规模和性能。
串扰和可扩展性也是众所周知的挑战。在设计需要容纳数百甚至数千种量子器件的硬件时，确保信号稳定、无干扰地传输至关重要。仿真帮助Miraex预测了其设备之间的相互作用，使工程师能够最大限度地减少干扰，并最大限度地提高整体系统性能。通过减少串扰，可以将更多器件高密度集成到单个芯片上，从而增加通道数量并扩展系统能力。这一点在稀释制冷机中尤为重要，因为其可用空间和冷却能力都受到限制。
通过利用仿真技术来应对这些挑战，Miraex可以从一开始就创建出更可靠、更具成本效益和可扩展性的原型。
微波与光学跨域仿真
在微波领域，HFSS软件使团队能够对谐振器和行波结构等器件进行建模。这些组件需要以极高的精度运行，在特定频率下谐振，并最大限度地降低损耗。HFSS软件使Miraex能够在进入实际制造阶段之前，就对这些设计进行仿真和精细调整，以实现最优性能。
在光学领域，Lumerical软件可帮助团队对组件中的光波行为进行仿真。这对于开发能够实现量子器件之间无缝信号转换的高效光学接口至关重要。此外，通过将Python脚本集成到工作流程中，Miraex可以自动执行重复性设计任务，并轻松协同分析来自微波和光学仿真的数据，从而更轻松地运行复杂仿真并快速优化设计。
利用电磁仿真对跨越光波导的弯曲结构设计进行精细优化。利用场分布图检查辐射损耗，通过S参数验证传输损耗或反射损耗是否足够低。右下角的照片显示了最终采用微加工工艺制造的电光电路
节省时间、降低风险并推动创新
对于Miraex而言，仿真带来的优势远不止解决技术挑战。其中最重要的优势之一是，在设计流程早期识别潜在问题，从而节省时间和成本。
Axline表示： “假如设计和制造周期大约需要四个月。如果没有仿真，很可能会白白浪费四个月的时间——因为只能依赖实际测试结果，而且还可能需要再进行一轮设计迭代。”
仿真还使Miraex能够测试那些在现实世界中因成本过高或风险过大而无法进行试验的想法。通过对不同配置和材料属性进行虚拟建模，该团队可以探索更广泛的可能性，从而增加找到创新解决方案的机会。
利用Python驱动的自动化能力扩展设计
为进一步加快设计速度并增强仿真功能，Miraex还在多种Ansys仿真工具中运用了Python脚本。
在器件微波部分的设计中，团队将Python与HFSS集成，通过基于应用程序编程接口（API）的工作流程，以编程方式配置、运行和迭代仿真，而无需手动操作。鉴于Miraex混合量子-光子硬件的复杂性，需要在规模更大的电路中对众多已得到充分了解的组件进行统一组装、参数化和验证，因此这种方法尤其有价值。通过将这些流程脚本化，Miraex可以高效探索设计变化并管理复杂性，而不会拖慢整个开发周期。
程序化控制使团队能够构建简化的工作流程，以支持大批量仿真运行和最终设计验证，从而在进入漫长制造周期之前，就验证器件能否达到预期性能。Axline指出： “这使我们创建出一个非常简单的工作流程，让我们能够以高吞吐量组装相当复杂的设计……并在最终验证阶段确认这些设计是否达到预期效果。”
随着Ansys持续扩展并增强Python集成功能，Miraex将这种自动化能力视为一项显著优势——它使该公司能够加快流程、减少手动工作量，并对日益复杂的仿真驱动设计决策保持信心。
利用超导谐振器验证Miraex超导平台的性能。通过比较谐振器的仿真性能与实测性能，还可以将其作为“标尺”，评估叠层结构中所用材料的性能
为大规模量子计算奠定基础
展望量子计算领域的未来，Miraex设想其光学接口将成为可扩展量子网络的支柱。在未来几年内，其计划进一步优化硬件，以支持更大规模的量子系统，从而在数据安全、人工智能和材料科学等领域实现新应用。
研究人员对低温光电二极管进行了评估，以将其集成到与量子转换器配合使用的系统中，实现对超导量子比特的光学控制和读出
随着Miraex不断扩展其产品方案并应对日益复杂的设计挑战，仿真将始终作为关键推动因素，助力其突破量子计算和光子学的边界。
尽管实现可扩展量子计算的道路仍在不断探索之中，但仿真技术正在助力Miraex等公司，为这项可能推动行业变革并解决世界上一些最紧迫问题的技术奠定基础。
