How These Researchers Designed Quantum Processors at a Hackathon Using Qiskit Metal (양자 프로세서 설계를 해커톤으로 시작한 연구자들)

By Samanvay Sharma, Quantum Developer Community (Korean translations by Soyoung Shin, Gyeonghun Kim and Sung-Bin Park)

Interested in designing quantum devices of your own? Learn how you can get started with Qiskit Metal and join our open source community by clicking here.

The South Korean quantum computing community came together at Qiskit Hackathon Korea from February 16–19, 2021, co-hosted by IBM Quantum, KAIST and the QCenter at SKKU, and supported by KIAS, Korea University, and Seoul National University. The event was truly a celebration of Korean Qiskitters from a variety of backgrounds and experience levels. Local community members and Qiskit Advocates led much of the outreach initiative by creating localized learning materials, challenging games, and introductory lectures as participants prepared to enter the event week.

The first two days consisted of lectures covering an extensive range of potential hackathon-oriented topics, ranging from algorithms and current trends to ideas in quantum software and hardware, specifically superconducting qubit design, and even including a demo session on Qiskit Metal. These lectures were designed to meet the requirements of the Korean hackathon participants, and now they’re available to view by all community members. Check out this playlist to watch our event-special quantum lectures.

The rest of the remote tried to recreate the experience of in-person Qiskit Camps and Qiskit Hackathons as much as possible, with the final two days full of project ideation, team formation and a ton of hacking. Participants split into 18 teams, three of which were invited to work on Qiskit Metal projects. Everyone came together for the next 24 hours, bringing their ideas to life and sharing them with the entire community with constant support from our event mentors and organizers. You can also access these hackathon projects from this repository link.

We now take a look at the perspective of members from “Metal Team C” and learn about their experience with first-access to Qiskit Metal:

By Gyeonghun Kim (Seoul National University)

We participated in Qiskit Hackathon Korea as part of the very first projects to utilize Qiskit Metal. The team had many newbies who had never designed superconducting qubits, but after sharing our experience as beginners we were determined to solve problems together at the hackathon and succeed in completing projects with Qiskit Metal.

Our Metal challenges consisted of 3 levels:

• Designing a simple two-qubit chip
• Designing a simple three-qubit chip
• Designing a four-qubit chip

Our team was made up of people from many different backgrounds. I am studying semiconductor quantum dot tuning using machine learning, and co-author Sung-Bin Park is designing a circuit to make an ion trap system into a single chip. Everyone on the team had experience with quantum computers, but they were new to superconducting qubit design. I first felt overwhelmed by the most basic project topic — the two-qubit chip design — but we were able to cooperate well as a team and immerse ourselves overnight with the help of mentors. Using Metal, we were able to estimate the results of our analysis before calculating the high-frequency structure simulator (HFSS), and we were able to achieve wonderful results from chip designs of up to four qubits by creating add-ons and utilizing them.

Since I majored in physics and had experience in quantum computers on different platforms, I was in charge of the initial design of the circuit according to the qubit drive frequency and the Coplanar Waveguide Resonator (CPW) resonance frequency with our team member Sun Kyung Lee. In particular, since our team had only one HFSS-licensed team member, the process of obtaining initial values ​​from the theoretical model was important. Based on this estimated value, I was able to experience designing a two qubit and four qubit system using Qiskit Metal. I learned a lot during the process of designing the four qubit system in particular, by contemplating how the crosstalk can be reduced when the frequency range of microwaves and the range that can be used with an amplifier is limited.

I created a design using the Qiskit Metal’s initial value estimation plugin and built it using the pyQt5 framework. It was a temporary solution developed very quickly during the hackathon so it’s not perfect, but we plan on improving it with our continued experiments on Metal. I also hope to contribute to the overall code, and I’d like to make our open source high-frequency simulation available.

By Sung-Bin Park (POSTECH)

Since I was new to transmon qubits, I had to learn fast and gain the background knowledge first, and because I had never used this program before, I had to use my time efficiently.

I was the only one on the team with a valid HFSS license from the beginning, so I needed to get used to the simulation as well. I started by taking time to get used to Metal and the HFSS using a tutorial.

While looking for the transmon qubit driving method and the meaning of each parameter, I first thought about how to match the required specifications. There were team members who helped with the conceptual elements, so it didn’t take a lot of time to run the simulation in earnest and I was able to run it properly.

I was in charge of designing the first project task, a two-qubit transmon according to the spec. The parameters mainly changed in the design were the pad gap, pad width, pad height, pocket width, pocket height, and the Josephson inductance. By adjusting the corresponding parameter, we could change the values of ​​the CPW attenuation, qubit frequency and anharmonicity.

I was able to understand transmons by looking at the whole process from Metal to HFSS. I hope that next time I’ll have a chance to run the HFSS simulation by designing a model from scratch.

It is very rare that people who are not familiar with transmon qubits gather and work together to design a qubit circuit, so this was an incredible experience for us. I also enjoyed seeing not only just the other Metal projects but also the non-metal projects employing quantum algorithms used in various applications. I’m sure that all Korean Qiskitters enjoyed this hackathon. With this opportunity, we hope that the Korean Qiskit community can grow as popular as something like our machine learning community.

Winners:

The Community Choice Award winners were the projects “Exploring Hybrid Quantum-Classical Neural Networks with PyTorch and Qiskit” by Team Quanputing, and “Qoupang” by Team QBlock. Team Solvers placed third with their project “Finding Efficient Solution for Hamiltonian Cycle” Prof. Mahn-Soo Choi from Korea University, one of the hackathon’s judges, said that judging was so difficult that they needed to create a third-place position.

Team mutQoin placed second for their project “mutQoin: Forecasting Turnip Prices with the Bayesian Network using Qiskit”. Prof. June-Koo Rhee, who represented co-host KAIST as a judge, appreciated this team’s efforts. “This team’s project turns a very interesting Turnip-based problem into a Bayesian network problem, and they applied quantum circuits to investigate it and successfully produce accurate results from their example runs […] The whole project was very well presented and highly appreciated by the community.”

And finally (drumroll!), Team QIASA placed first for their project “QuMa — A Quantum Maze”, an 8-bit style puzzle game where the goal is to exit a maze with entangled walls unlike physical mazes, which means tracing back your steps will not get you back where you were. Prof. Jaewan Kim from KIAS served as the Chair of Judges and highlighted this teams’ efforts as part of his inspiring closing message to all participants. “Their work is a bit of a surprise to all of us. The walls being entangled was a really novel idea and this is a new kind of quantum game which amazed many people.”

As for the Qiskit Metal teams, Prof. Yonuk Chong, judge and representing co-hosts QCenter at SKKU, lauded the efforts of the Qiskit Metal teams. “We appreciated the results achieved by the Metal teams in the relatively short time during the hackathon, especially given that none of the participants had used the software before. Rather than judging them with other entries, each of these teams were invited to continue working on their hackathon projects after the event and explore the development of this open-source software as part of the Qiskit Metal Early Access Program.”

What’s next for Qiskitters in Korea?

This hackathon had many firsts for Qiskit and for the Korean quantum community. This was not only the first Qiskit event in Korea but also the first quantum computing hackathon at this scale nationwide. This was also the first-ever hackathon where we invited students to work on projects designing and analyzing quantum hardware using Qiskit Metal.

Since then, we’ve seen increased activity in other Qiskit projects from the Korean community too. The effect has strengthened numbers in the #korean Qiskit Slack channel as well as the Korean Localization Project, and we’re seeing more community contributions even after the event. The growth that this group of new and enthusiastic Qiskitters has shown has been remarkable, and we are excited for even more collaborations and contributions from this community in the very near future!

Qiskit Metal is now available to the general public. Get started by clicking here.

한국어로 (In Korean):

IBM 퀀텀, 성균관대학교 QCenter, KAIST가 공동 주최하고 KIAS, 고려대, 서울대학교가 지원한, 한국의 첫 양자 컴퓨팅 커뮤니티 행사가 2021년 2월 16일부터 19일까지 수많은 국내 연구진과 기관들의 협조와 협력, 축하 가운데 성황리에 개최되었습니다. Qiskit Hackathon Korea는 다양한 전공과 경력을 지닌 한국 Qiskitter들을 응원하고 축하하는 자리가 되었습니다. 한국 내의 양자컴퓨팅 커뮤니티 구성원들과 Qiskit Advocate들은 한국어로 번역된 학습 자료의 제작, 양자 컴퓨터 게임 이벤트 및 밋업 등의 커뮤니티 행사 기획을 포함해 참가자들이 해커톤에 참가하기 위해 필요한 입문 강좌의 제작을 주도하며 행사의 홍보와 참가자 지원을 주도했습니다.

행사의 첫 이틀은 참가자들이 해커톤 프로젝트를 구상하고 구현하는 것에 도움을 줄 수 있는 양자 알고리즘과 현재 기술 동향부터 양자 소프트웨어 및 하드웨어의 아이디어, 특히 초전도 큐비트 설계, Qiskit Metal에 대한 데모 세션까지 광범위하고 집중적인 특별 강좌들이 펼쳐졌습니다. 이 강의들은 해커톤 참가자들을 해커톤 진행을 돕기위해 기획되었으나 이제는 커뮤니티 구성원 모두가 볼 수 있게 되었습니다. 행사에서 진행된 특별 강좌들은 이 재생 목록에서 확인하실 수 있습니다.

행사의 나머지 부분은 대면 방식으로 진행되었던 기존의 Qiskit 캠프와 Qiskit 해커톤의 노하우를 집약하여 운영되었으며 특히 마지막 이틀은 해커톤 프로젝트 아이디어화, 팀 구성, 수 많은 해킹으로 가득 찬 시간이었습니다. 참가자들은 18개의 팀으로 나뉘었고, 그 중 세 팀은 Qiskit Metal 프로젝트에 초대되었습니다. 이후 24시간 동안 해커톤 프로젝트 참가 팀들은 멘토 및 주최 기관의 지원 아래 온라인 상에서 함께 모여 아이디어를 더 발전시키고 프로젝트를 완성시켜 나갔으며 만들어진 결과물을 발표하고 공유하는 마무리 시간도 가졌습니다. 이 저장소 링크에서 제출된 해커톤 프로젝트들을 확인할 수 있습니다.

Qiskit 메탈 프로젝트를 진행한 세 팀 중 “Metal Team C”의 참자가들로부터 Qiskit Metal을 사용해 해커톤을 진행한 이야기를 들어보겠습니다.

김경훈 (서울 대학교)

2021년 2월 16일에서 19일 동안 진행 된 Qiskit Hackathon Korea에서는 한국 Qiskitter의 정말 재미있고 창의력 가득한 다양한 주제 들이 소개되었습니다! 이 중에는 Qiskit을 활용한 블록체인이나 양자 머신러닝과 같은 복잡하면서도 재미있는 주제들 부터, QPong의 인기를 뒤이을 QuMa나 Indian PoQer와 같은 양자 게임들도 다양하게 새로 제시되었습니다. 이중, 특히 이번 2021년 Qiskit Hackathon Korea는 처음으로 Qiskit Metal을 활용할 수 있는 프로젝트들이 열렸고, 저희 둘은 Metal C조 해커톤에 참여하게 되었습니다. 팀에는 Qiskit Metal, 그리고 초전도 큐빗 설계를 해본 적 없는 뉴비들뿐 이었는데요, 초보자들이 모여 해커톤에서 함께 문제를 해결해간 저희의 경험을 소개합니다!

“Designing a simple two-qubit chip”

“Designing a simple three-qubit chip”

“Designing a four-qubit chip”

우선 저희 팀은 정말 다양한 배경에서 온 사람들이 모였었습니다! 이 글을 쓰고 있는 저(김경훈)는 머신러닝을 활용한 반도체 양자점 튜닝을 연구하고 있고, 박성빈은 ion trap칩을 one chip으로 만들기 위해 회로 설계를 하고 있습니다. 다들 양자컴퓨터에 경험은 있지만, 초전도 큐빗 설계에는 문외한이었습니다. 가장 기초 프로젝트 주제인 투 큐빗 칩 디자인을 보고도 막막했습니다. 하지만, 어쩌면 이러한 상황이었기 때문에 더욱 함께 힘을 합쳐서, 또 멘토님들의 도움을 받으며 밤을 새워가면서 몰두할 수 있었고, two-qubit chip 설계와 HFSS 분석에 더해서 HFSS 계산을 하기 전에 미리 결과를 추정해 볼 수 있는 add-on을 만들고 이를 활용해서 four qubit chip까지 설계하는 멋진 결과를 얻을 수 있지 않았나 싶습니다.

저는 물리 전공에, 다른 플랫폼에서의 양자컴퓨터 경험을 가지고 있었기 때문에 선경님과 함께 주어진 큐빗 구동 진동수, CPW의 공명진동수에 맞추어서 회로의 초기 설계를 담당했습니다. 특히 저희 팀은 HFSS 라이센스가 있는 팀원이 한 명이었기 때문에 이론적인 모형에서 초기값을 구하는 과정이 중요했습니다. 이렇게 추정한 값을 기반으로 Qiskit metal을 사용하여 two qubit 그리고 four qubit system을 디자인 하는 경험을 해볼 수 있었습니다. 특히 four qubit system을 설계하는 과정은 실제로 실험하는 상황과 같이 사용할 수 있는 마이크로파의 진동수 범위, 그리고 amplifier를 사용할 수 있는 진동수 범위가 제한되어 있을 때 crosstalk이 어떻게 하면 줄어들 수 있을지 고민하며 설계하는 과정에서도 많은 것을 배울 수 있었습니다.

이후 많은 사람들이 HFSS 라이센스를 가지고 있지 않을 것이고, 설령 가지고 있다고 하더라도, 초기 값을 설정하는 것은 매우 중요하다고 생각해서 Qiskit metal의 초깃값 추정 플러그인을 설계해서 Qiskit metal의 프레임워크인 pyQt5를 사용해서 제작했습니다. 급하게 만들어서 완성도는 떨어지지만, Qiskit metal early access도 얻었겠다! 더 제대로 만들어서 기여하고, 또 오픈소스 고주파 시뮬레이션을 이용할 수 있도록 만들어 보고 싶습니다.

박성빈 (포스텍)

transmon qubit은 처음 접해보았기 때문에 배경 지식을 먼저 공부해야 했고, 프로그램도 거의 사용해보지 못했었기 때문에 주어진 시간을 효율적으로 사용해야 했습니다.

팀에서 HFSS 라이센스가 처음부터 온전히 돌아가는 사람이 저 뿐이어서 시뮬레이션에도 익숙해질 필요가 있었습니다. 라이센스 문제가 운좋게 당일에 해결되어서 사용할 수 있게 되었기 때문에 튜토리얼을 빠르게 돌려보면서 tool에 익숙해지는 시간을 가졌습니다.

transmon qubit의 구동방식과 각 parameter들이 가지는 의미를 찾아보면서 요구하는 spec에 어떻게 맞출 수 있을지 먼저 고민했습니다. 개념적인 부분을 도와주신 팀원분들이 있었기 때문에 시뮬레이션을 본격적으로 돌릴 수 있기 까지 시간이 많이 소모되지 않았고, 제대로 돌릴 수 있었습니다.

그래서 첫번째 과제인 2 qubit transmon을 spec에 맞춰서 설계하는 역할을 맡아 과제를 진행했습니다. 설계에서 주로 변화시킨 parameter들은 pad gap, pad width, pad height, pocket width, pocket height, Lj가 있었습니다. 해당 parameter를 조절해서 alpha, FQ, Ec의 값을 바꿀 수 있었고, 경향성을 따지면서 요구 spec에 맞춰갔습니다.

metal부터 HFSS까지 전체적인 과정을 돌려보면서 transmon에 대한 이해를 할 수 있었습니다. metal에서 model들을 설계하는 일은 하지 않았지만, 기회가 된다면 처음부터 model설계를 해서 HFSS시뮬레이션을 돌려보는 기회를 가져보고 싶다고 생각했습니다.

Transmon qubit이 익숙하지 않은 사람들이 모여서 함께 공부하며 큐빗 회로를 설계해 본 것은 정말 귀한 경험이었습니다. 또 메탈 프로젝트 뿐만 아니라 다른 팀들이 한 프로젝트들을 보면서 양자 알고리즘이 다양하게 활용되는 모습을 본 것도 너무 즐거웠습니다. 아마 이번 해커톤은 저희 뿐만 아니라 한국의 많은 Qiskitter들이 즐길 수 있었던 장이 되었던 것 같습니다. 이를 계기로 한국 Qiskit 커뮤니티가 머신러닝 커뮤니티처럼 커질 수 있었으면 좋겠다는 소망이 있습니다.

수상팀:

커뮤니티 초이스 어워드 수상자는 팀 Quanputing의 Qiskit Textbook의 ML 파트 업그레이드 프로젝트인 “PyTorch와 Qiskit을 사용한 하이브리드 양자-클래식 신경망 탐색”과 팀 QBlock의 양자 블록체인 솔루션인 “Qoupang” 프로젝트였습니다. 팀 Solvers는 “해밀턴 사이클을 위한 효율적인 솔루션 찾기” 프로젝트로 3위를 차지했습니다. 해커톤 심사위원으로 참가하신 고려대 최만수 교수님은 팀들의 우열을 가리기 어려워 수상팀을 더 늘리자고 제안하기도 했습니다.

팀 mutQoin은 “Qiskit을 사용하여 베이지안 네트워크를 사용한 모동숲 무 가격 예측”으로 2위를 차지했습니다. 행사를 공동 주최한 KAIST의 이준구 교수님은 이 팀의 결과를 높이 평가했습니다. “이 팀의 프로젝트는 재미있는 무 가격 예측의 문제를 베이지안 네트워크 문제로 전환시키고, 양자 회로를 적용하여 계산했으며, 예시를 통해 정확한 결과를 도출하는 데 성공했습니다. […] 프로젝트의 발표도 우수했고 커뮤니티로 부터 높은 평가를 받았습니다.”

그리고 마지막으로 (두구두구) 팀 QIASA는 8비트 스타일의 퍼즐 게임인 “QuMa — A Quantum Maze”로 1위를 차지했는데, 물리적인 미로와 달리 벽이 얽힌 미로를 빠져나가는 것이 게임의 목표로, 플레이어의 발걸음을 추적해도 처음에 있던 곳으로 돌아올 수 없는 특별한 퍼즐 게임이 제출되었습니다. 심사위원장이신 고등과학원의 김재완 교수님은 모든 참가자들에게 보내는 메시지로 이 팀의 성과를 강조했습니다. “이 팀은 정말 놀라운 프로젝트를 보여주었습니다. 벽이 뒤엉켜 있는 것은 정말 신기한 아이디어였고 많은 사람들을 놀라게 한 새로운 양자 게임을 선보였습니다.”

공동 주최 기관인 QCenter의 정연욱 센터장님은 Qiskit Metal 팀의 노력에 큰 박수를 보냈습니다. “짧은 해커톤 기간 동안 메탈 팀들이 이룬 성과에 감사와 박수를 보냅니다. 무엇보다 대부분의 참가자가 해커톤 전에는 사용해 보지 못했던 소프트웨어를 사용해 이와 같은 결과를 만들어냈기 때문입니다. 이 팀들은 다른 팀들처럼 수상을 위해 심사되기 보다 해커톤 이후에도 프로젝트를 계속 진행하도록 Qiskit Metal Early Access Program으로 초대되어 오픈 소스 소프트웨어인 Qiskit metal에 지속적으로 기여할 수있게 되었습니다.”

한국의 Qiskitters들의 다음 계획은?

이번 해커톤은 Qiskit과 한국 양자 커뮤니티 모두에게 다양한 “첫번째”의 의미를 갖는 대회였습니다. 이 행사는 한국 최초의 Qiskit 행사 일 뿐만 아니라 전국 규모의 첫번째 양자 해커톤 대회였습니다. 이 행사는 또한 Qiskit Metal을 사용하여 양자 하드웨어를 설계하고 분석하는 프로젝트에 학생들이 참가한 최초의 해커톤으로 기록되었습니다.

해커톤이 끝난 후 한국 커뮤니티의 Qiskit 관련 프로젝트들이 활성화 되기 시작했습니다. 우선적으로 Qiskit 슬랙의 #Korean 채널뿐만 아니라 Korean Localization Project에 참가자가 늘어나고 있으며 적극적인 활동이 늘어나고 있고 한국 내 지역 양자 커뮤니티 또한 빠른 속도로 성장하는 모습을 목도하고 있습니다.

이 새롭고 열정적인 Qiskitter 그룹이 보여주는 성장에 감탄하며, 우리는 가까운 미래에 이 커뮤니티가 보여줄 더 많은 기여와 협력을 응원하고 기대합니다.

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