aalto1 untyped-item.component.html
Metal-edge correction method for simulation of energy participation ratios in superconducting devices
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
82
Series
Abstract
The field of quantum computing has progressed rapidly in recent years, with the state-of-the-art quantum processing units reaching hundreds of qubits. Increasing the number of qubits alone is not enough to achieve fault-tolerant and scalable quantum computing. Gate operations with low logical error rates are also necessary, which in turn require sufficiently long coherence times. One of the leading causes of decoherence in superconducting quantum devices are losses due to parasitic interactions with two-level systems (TLSs) residing in material interfaces and substrate. The effect of TLSs can be estimated using energy participation ratios from electromagnetic simulations of the system. However, the nanometer-scale thickness of the interface layers, combined with the singular scaling of the electric field near metal corners, poses a computational challenge for extracting the interface energies in 3D simulation. In this thesis, we address this issue by presenting a method for correcting the inaccurate interface energies in the 3D simulation by redistributing the energies near metal edges using 2D cross-section simulations, where accurate modeling of the interface layers is computationally feasible. The method is integrated into KQCircuits design and simulation toolkit, enabling a semi-automatic simulation workflow for any superconducting circuit layout. It supports both commercial Ansys and open-source Elmer FEM software for 3D simulations, while only Elmer is compatible with 2D cross-section simulations. This allows the entire simulation to be conducted using open-source tools, enabling massively parallel simulations on HPC platforms.
We validate the method on an axially symmetric qubit geometry and estimate the errors arising from the computational inaccuracy of the 3D simulation and the curvature of the 3D model being corrected using 2D cross-section simulations. We find good agreement between the results of Ansys, Elmer 3D, and axisymmetric reference simulation. We demonstrate the simulation workflow on a generalized capacitor element and subsequently showcase the capabilities of the method for optimizing the design of the capacitor. We use Bayesian multi-objective optimization to explore the trade-offs between the TLS-induced loss, capacitances, and the physical size of the element.
Kvanttilaskennan ala on kehittynyt nopeasti viime vuosien aikana ja laskennallisten yksiköiden, kubittien, määrät kehittyneimmissä kvanttitietokoneissa ovat nousseet yli sataan. Pelkkä kubittimäärän lisääminen ei kuitenkaan riitä skaalautuvaan ja virhekorjattuun kvanttilaskentaan, vaan lisäksi loogisten kvanttiporttien virheet täytyvät olla tarpeeksi matalia, mikä puolestaan edellyttää kubiteilta pitkiä koherenssiaikoja. Yksi hallitsevista dekoherenssin aiheuttajista suprajohtavissa kubiteissa on vuorovaikutus materiaalirajapinnoissa sekä substraatissa sijaitsevien kvanttikaksitasojärjestelmien kanssa. Kaksitasojärjestelmien vaikutus koherenssiin voidaan arvioida sähkömagneettisien simulaatioiden perusteella laskettujen energiaosallistumissuhteiden avulla. Rajapintaenergioiden tarkka mallintaminen kolmessa ulottuvuudessa on kuitenkin laskennallisesti haastavaa johtuen rajapintojen pienistä, nanometriluokan paksuuksista sekä sähkökentän singulaarisuudesta metallin kulmien läheisyydessä. Tässä diplomityössä esitetään menetelmä yllä kuvatun ongelman ratkaisemikseksi. Menetelmässä 3D-simulaation rajapintaenergiat lähellä metallin reunoja korjataan jakamalla alueen kokonaisenergia uudelleen käyttäen 2D-poikkileikkaussimulaatiota, missä rajapintojen tarkka mallintaminen on laskennallisesti mahdollista. Menetelmä on toteutettu KQCircuits suunnittelu- ja simulaatiotyökaluun, mahdollistaen sujuvan simulaatiotyövuon mielivaltaisille suprajohtaville kvanttipiireille. Menetelmä tukee 3D-simulaatioissa sekä kaupallista Ansys-ohjelmistoa että avoimen lähdekoodin Elmer-ohjelmistoa, kun taas 2D-simulaatioissa ainoastaan Elmer on tuettu. Käyttäen Elmer:iä, koko simulaatio voidaan toteuttaa avoimen lähdekoodin työkaluilla, mikä mahdollistaa simulaatioiden rinnakkaistamisen suurteholaskennan alustoilla.
Menetelmän validointi toteutataan akselisymmetrisellä kubittigeometrialla, jolloin vertailukohtana voidaan käyttää Elmer akselisymmetristä 2D-simulaatiota. Eri menetelmillä sekä simulaatiotyökaluilla saavutetut tulokset vastaavat hyvin toisiaan. Työssä arvioidaan 3D-simulaation laskennallisesta epätarkkuutta sekä virheitä, jotka aiheutuvat kaarevan 3D-mallin korjaamisesta 2D-simulaatioiden avulla. Menetelmän työvuo esitetään yleistetylle kondensaattorielementille ja sitä käytetään kondensaattorin geometrian optimointiin. Optimoinnissa hyödynnetään Bayesiläistä monitavoiteoptimoijaa, jonka avulla voidaan tutkia kaksitasojärjestelmistä aiheutuvan häviön, kapasitanssien ja kondensaattorin fyysisen koon välisiä riippuvuuksia.