光子仿真 | memQ借助Ansys工具重塑量子计算格局

本文原刊登于 Ansys.com：《How memQ Is Shaping the Quantum Landscape With Ansys Tools》

作者：Emily Gerken | 新思科技旗下Ansys的企业传播专家

编辑整理：陈媛 | Ansys 主任应用工程师

量子计算正在全球范围内迅速扩展，据预测，到2032年其市场规模将达到126亿美元。这一快速发展背后，有诸多驱动因素，包括人工智能（AI）的进步、对更强大网络防御机制的需求，以及解决传统计算无法应对的复杂问题的需求。

该行业在美国中西部地区尤为活跃，其中芝加哥正在迅速崛起，成为重要参与者之一。大量政府投资，促进了量子生态系统的形成，芝加哥地区正在迅速成为量子计算的枢纽。

该领域面临的主要挑战之一，是开发高效且可扩展的量子网络架构。当前的经典网络方法无法满足量子应用的需求——经典比特为0或1，而量子比特（qubit）则具有同时处于多种状态的独特能力，这种属性被称为叠加态。然而，这种量子态很容易坍缩，使其无法实现有意义的进展。量子架构的目标是在远距离上管理量子比特交互，同时保持其脆弱的量子态。实现这一目标后，量子计算机将能够无缝连接，这对于该技术的可扩展性和快速应用至关重要。

在不断发展的行业环境中，总部位于芝加哥的量子计算创新企业memQ脱颖而出，成为该领域的重要贡献者。通过利用新思科技旗下Ansys的工具，memQ正在推动突破创新，为重新定义我们所熟知的计算方式铺平道路。

memQ的名称源于 “内存量子比特” （memory qubits）的英文缩写，其处于量子技术的最前沿。该公司旨在通过量子网络连接，整合不同类型量子比特的强大功能，从而跨多个系统解决最棘手的计算问题。

该公司于2022年从芝加哥大学和阿贡国家实验室孵化成立。MemQ一直与这两家机构保持着密切的合作关系，这对于推动合作项目和人才招聘起到了关键作用。公司由Manish Singh博士和Sean Sullivan博士共同创立，两人分别担任memQ的首席执行官和首席技术官。

memQ联合创始人Manish Singh（左）和Sean Sullivan（右）

结合团队在当地机构的多年经验和家族渊源，毫无疑问，memQ与芝加哥地区有着紧密的联系。随着量子领域的不断发展，在芝加哥量子交易所的支持下，扎根中西部是其顺理成章的选择。Singh表示： “芝加哥量子交易所在中西部量子生态系统中发挥着核心作用，而memQ是其企业合作伙伴。”

memQ的工作主要围绕利用先进技术与单个原子进行交互展开，这对于量子网络解决方案的开发至关重要。通过专注于这一细分领域，memQ旨在创建一种能够连接量子计算机的可扩展架构，从而以更快速度和更低风险采用量子技术。这种独特的路径，使memQ成为量子网络领域的领导者。

该公司的创新方法充分利用现有基础设施，降低了新用户采用量子计算技术的门槛。因此，MemQ不仅是该领域的又一个参与者，更是量子技术发展的重要贡献者。他们在实现固态平台与量子比特交互方面的开创性工作，使其脱颖而出，并彰显了其推动行业发展的重要作用。

固态平台，是在半导体代工厂中制造的半导体平台，硅光子平台就是其中一种。

memQ正在开发可扩展的量子网络架构，该架构能够以电信频段存储、操控和传输量子信息，进而在异构量子计算节点之间构建远距离量子网络。memQ的量子存储模块是实现远距离量子网络的关键器件之一，其采用了硅基板上的掺铒氧化物薄膜，并采用标准硅光子代工工艺制造。

铒等稀土原子的优势在于自旋相干时间较长，且能在电信波长下发射单光子。

memQ创始团队与阿贡国家实验室的科学家Joseph Heremans博士（左二）在阿贡国家实验室（图片由阿贡国家实验室提供）

memQ利用Ansys工具的先进光子学功能来推动量子技术发展。Singh表示： “对我们来说，Ansys的光子学仿真能力是我们选择其软件的主要原因。在光子仿真领域，它可以说已成为了业界默认的标准。

Lumerical软件是一款非常强大的工具。”

具体而言，该公司使用Ansys Lumerical套件来设计和调控光的属性，从而实现与单个原子的相互作用。该工具对于memQ至关重要，使其能够在进入实体产品开发阶段之前开展广泛的仿真。这不仅缩短了开发时间，还显著降低了成本，从而提高开发流程的效率。

此外，由AWS软件提供支持的Ansys Gateway，也为该公司带来了巨大改变。该工具使memQ能够受益于亚马逊云科技（AWS）为早期初创企业提供的抵扣额度，获取亚马逊的服务、支持和资源。借助AWS抵扣额度，memQ在有效控制成本的同时，仍可充分利用强大的计算资源。

仿真使memQ能够模拟原子层面的复杂相互作用，而这种精度对于开发可靠且可扩展的量子网络至关重要。memQ使用仿真工具时，会先在内部进行初步制造，再通过短周期反馈循环不断完善设计。一旦他们对仿真结果充满信心，就会移交外部代工厂进行更大规模的制造。这种方法可确保他们做好充分的准备，从而减少漫长测试周期所耗费的时间和成本。Ansys工具的脚本功能在memQ的工作流程中也发挥着重要作用。通过这些功能，memQ可以调整多个参数，以优化仿真中光和单个原子之间的相互作用。例如，调整光子晶体腔中孔的尺寸和间距，可显著改变腔体的属性，进而影响其与原子的相互作用效果。Ansys工具还使memQ能够预测其组件的性能如何随代工厂工艺变化而变化，从而确保可扩展制造中的高器件良率。

图中展示的是memQ的量子存储芯片，带有用于输入和输出的光纤

memQ计划随着业务扩展纳入其他Ansys工具。例如，他们预计将使用Ansys HFSS高频电磁仿真软件，对用于定位和控制量子比特的微波电路组件进行仿真。此外，该团队计划进一步扩展Lumerical软件套件的应用，将Ansys Lumerical INTERCONNECT光子集成电路设计与仿真软件，用于其控制与纠缠中枢的光子集成电路（PIC）。

量子计算预计将在未来3-5年内投入商业应用，行业各方也将迎来一个令人振奋的发展阶段。随着这些应用的日益普及，市场对弹性量子网络解决方案的需求也将随之增加。类似memQ主导的这类专注于创建可扩展量子网络架构的举措，对于降低新采用者的准入门槛、加速量子技术的商业化至关重要。

memQ计划构建的可扩展量子网络技术（xQNA）由三个主要模块组成，这些模块协同工作，可在各种距离尺度上连接模块化量子计算机

memQ的独特方法充分利用了现有基础设施，这不仅降低了量子技术采用的相关风险，还加快了市场准入进程。这一战略对于实现量子计算的广泛应用至关重要，有望推动医疗、金融和物流等行业的转型。

通过利用Ansys的仿真工具，memQ优化了其硅基量子硬件设计，以提高可制造性和性能，从而有助于减少对昂贵原型的需求，并加快开发流程。

随着行业的持续发展，业界的重点可能会转向集成程度更高的多物理场仿真。在同一软件解决方案中进行多个物理场仿真的能力，对于开发能够在实际应用中可靠运行的复杂量子系统将变得越来越重要。

借助Ansys仿真工具的强大功能，memQ在优化其硅基量子硬件设计方面取得显著进展。展望未来，该公司正在为量子计算技术的广泛应用奠定基础。通过将自身专业知识与Ansys资源相结合，memQ正在优化硬件设计并缩短开发周期，为这项颠覆性技术的未来铺平道路。

随着量子行业的发展，仿真的作用只会变得愈加关键。对于memQ而言，通过与Ansys持续合作，他们得以始终处于这一快速发展领域的前沿，随时准备好把握新机遇并克服新挑战。双方不仅共同为量子计算生态系统做出了贡献，也在助力重塑其未来。