计算新时代的量子器件建模

量子计算利用量子力学原理，如今已成为推动计算世界发生翻天覆地变化的前沿技术。

量子计算利用了量子比特的特殊性质，由于叠加和纠缠的出现，量子比特可以同时存在于多种状态。这种固有的并行性，使得量子计算机能够更快地以指数级速度(相对于经典计算机)解决复杂问题。因此，量子计算的潜在应用涵盖了许多行业，包括制药和医疗保健部门、加密和网络安全以及金融服务。

器件建模作为电子设计自动化的主要组成部分之一，在理解、设计和优化量子器件的行为方面发挥着至关重要的作用。然而，器件建模自身也面临着一系列的挑战。

量子器件建模挑战

量子噪声和退相干是量子器件建模的基本挑战。量子比特是量子信息的基本单位，对环境极为敏感。它们很容易与外部因素纠缠，导致量子相干性的损失。这种现象被称为退相干，对量子计算的可靠性和稳定性有着重大影响。

器件建模必须考虑各种噪声和退相干源，包括热波动、电磁干扰甚至宇宙射线。开发捕捉量子系统动力学的精确模型是一项复杂任务。

为了减少热噪声并保持量子态的稳定性，量子计算采用低温。但有几个因素使器件难以在低温下工作，包括：

·热效应

在低温下，热效应变得不可忽略。如何针对散热、热导率和温度梯度进行准确建模，对理解量子器件的行为至关重要。

·材料特性

在低温下，材料的性质会发生显著转变。其中包括导电性、导热性和机械性能。此外，隧道等量子效应变得更加重要，粒子的行为也可能与经典模型预测的不同。

·超导性

超导量子位的使用是开发量子计算机最有前途的方法之一。一些量子计算机，尤其是基于超导量子位的量子计算机，通常在接近绝对零度(-273.15°C或0K)的温度下工作。在这样的温度下，某些物质成为超导体，这意味着它们的导电电阻为零。

历史上看，器件建模主要集中在CMOS模型上，该技术广泛用于作为传统计算机基础的集成电路设计。与IC不同，量子位是量子计算的核心，不过CMOS器件建模也可用于各种量子计算器件。

量子位IC通常用于连接量子位，来控制和读出信号。以一个典型的低温量子计算系统为例(见图1)，可以看到控制系统将经过许多级的互连和电路，最终到达量子位IC。在量子位IC中，温度将从控制系统中的环境温度逐渐降到低于100mK的低温。

图1：低温量子计算系统示例。(本文图片来源：Keysight)

量子位集成电路的设计与制造过程与传统集成电路相似。话虽如此，量子制造工艺设计套件对电路设计过程尤为重要。量子位IC中的器件也可以是无源器件或晶体管。这将取决于所用的量子位平台。

根据过去十年中绝大多数(经典)的IC应用设计，半导体器件建模通常需要涵盖-40～175°C(233.15～448.15K)的温度。然而，量子应用可以在低至4K的温度下发挥作用。

这样一来，半导体制造厂目前所用的模型，可能都无法有效地捕捉器件在低温下的行为，这可能会导致意想不到的设计问题。为了适应深低温，器件建模团队正在探索表征和仿真的新方法。

Keysight器件建模解决方案

为了更好地描述量子计算机等新型系统的电学行为，建模工程师将创建一组新的方程。过去几年最流行的方法是用Verilog-A代码，或另一种类似C代码的脚本将用于编写方程。接下来，将把这些算法连接到商用SPICE仿真器上，这样就可以运行仿真并获得模型参数。当建模工程师利用新开发的模型来提取参数时，他们还面临着一个新的困难。

作为专业的电子设计和测试解决方案提供商，Keysight通过其PathWave平台提供了一套全面的量子器件建模套件(见图2)。

图2：Keysight器件建模解决方案组合。

Keysight解决方案利用并扩展了器件建模，从传统的半导体器件到低温器件，再到新的器件架构，以满足量子计算的客户需求。而且，量子应用工程师还可借助CMOS建模的专业知识，来节省大量时间和成本。

PathWave平台包括以下内容：

·WaferPro Express软件

该软件可支持半导体器件(如晶体管和电路组件)的晶圆级自动化测量，为各种仪器和硅探针提供驱动程序和测试程序。由于与低温探测供应商的合作，该工具可以在室温和低温条件下实现晶片级自动测量。

·PathWave器件建模(IC-CAP)

IC-CAP为直流和射频半导体器件建模的行业标准。它提取用于高速数字、仿真和射频应用的精确紧凑模型。IC-CAP器件定义、数据处理和仿真器接口高度灵活。在设计新器件架构的情况下，这为用户定制新的器件架构、模型和参数方程提供了极大的便利。

·MBP

MBP是大批量模型生成的一站式解决方案，提供自动化和灵活性。该软件包括用于行业标准模型的自动提取程序和用于定制建模策略的开放界面。MBP具有更友好的用户界面，可以比IC-CAP更有效地管理整个制造库。MBP的用户可以很容易地集成制造模型库，可在不改变模型库原始架构的情况下微调选定的参数。因此，MBP被推荐给希望使现有制造模型适应低温环境的量子用户。

·PathWave Model QA(MQA)

MQA是一款自动化SPICE模型验证软件，使用户能够审查和分析SPICE模型库，比较模型并有效生成质量保证报告。强大的模型库比较功能使用户能够比较任意两个或多个模型库，并有助于预测下一代器件的行为。

Keysight为器件表征、低频噪声测量、模型参数提取和模型鉴定提供了全面的解决方案。可利用现有技术和半导体设计平台的行业标准器件建模工具，为量子计算用户节省大量的脚本编写和工具开发时间。

(参考原文：device-modeling-in-the-new-era-of-quantum-computing）

本文为《电子工程专辑》2024年3月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅