スピン量子ビット有限要素法シミュレーター

QTCAD

QTCAD は製造前にスピン量子ビットの性能を予測するための有限要素法シミュレーターです。性能の予測によって、多大な時間と費用の節約が期待でき、従来の手法に比べてより多くの設計を探索できます。QTCADは、k·p理論の枠内で包絡関数とナノ構造に閉じ込められた電子またはホールのエネルギーレベルを計算する際に、非線形ポアソン、シュレーディンガー、多体ソルバーを使用します。

QTCADEDU

量子ハードウェア設計には、ゲート型量子ドットや量子欠陥に存在する超伝導量子ビットやスピン量子ビットといっ​​た最先端システムを支える物理、材料、工学プロセスに関する高度な知識が必要です。量子技術の基礎と、業界が求める量子チップの設計を学生に教えるには、座学だけではなくプロ仕様の技術支援設計 (TCAD) ソフトウェアを導入する必要があります。

開発元：Nanoacademic Technologies

機能一覧

QTCAD半導体デバイスモデリング機能：

• NEW! (v2.2) 運動量の2次までの任意のハミルトニアンに対応した汎用 k·p ソルバー
• NEW! (v2.2) Jupyter およびブラウザに対応したデバイスデータ可視化機能（ラインカット、スライス、等値面）
• IMPROVED! (v2.2) クーロン（交換）積分計算の最大10倍の高速化
• QTCAD® ビルダー& デバイスビジュアライザー：レイアウトファイルを使用した3Dデバイスモデル構築を簡素化し、前処理・可視化・デバッグを容易化
• 適応メッシュを用いた半導体中の量子ドット閉じ込めポテンシャルのための sub-K 静電ソルバー
• 1D・2D・3D および ハイブリッド3D/1D シュレーディンガー–ポアソンソルバー（量子井戸・ナノワイヤー・量子ドットに対応）
• Cross-capacitive効果を含電子・正孔の多体シュレーディンガー方程式ソルバー
• シーケンシャルトンネリング（クーロンブロッケード）の量子輸送計算のためのマスター方程式ソルバー
• 2プローブ系の非平衡量子統計および量子輸送のための非平衡グリーン関数法 (NEGF) ソルバー
• Cross-capacitive効果を含む少数量子ドット系の電荷安定性ダイアグラムのための計算効率の高いワークフロー
• Multi-Valley Effective Mass Theoryソルバーにおけるブロッホ振動の扱い
• Si/Si_1-xGe_xおよびGe/Si_xGe_1-xヘテロ構造DFTベースの歪みとバンドアライメント
• 点電荷およびドーパントモデリングのためのカスタム欠陥電荷密度プロファイル
• 電子および正孔の電気双極子スピン共鳴 (EDSR) のためのワークフロー（QuTipのインターフェース）

QTCAD ATOMSツール（原子論的強結合近似を用いた量子ドットのマルチスケールシミュレーション）：

• NEW! (v2.2) 任意の磁場方向に対する有効g因子計算ツール
• IMPROVED! (v2.2) タイトバインディングシュレーディンガー方程式ソルバーにおける最大40%のメモリ削減
• 周期的な境界条件と非理想性（ランダム合金、粗さ）を備えた任意の 3D ジオメトリ用の原子構造ビルダー
• 歪み、磁場、スピン軌道カップリングを考慮したTB電子構造ソルバー
• 電子シャトリングの忠実度計算ができるバレー位相計算
• 原子波動関数の可視化、行列要素計算、gテンソル計算のような各種解析ツール
• マルチスケールシミュレーションを可能にするゲート誘起閉じ込めポテンシャルなどを含むQTCAD®のFEMモデリング機能へのインターフェース

QTCAD超伝導回路モデリング機能：

• NEW! (v2.2) Al/AlOx 表面粗さ効果による E_J のばらつきを解析できる新たなジョセフソン接合エネルギーソルバー。NEGFとAmbegaokar—Baratoffの関係を活用し、接合部の厳密なCADレイアウトを直接使用可能
• NEW! (v2.2) 適応メッシュとマイクロ波ネットワーク解析機能（SおよびZマトリックス）を備えた駆動マクスウェルソルバー
• NEW! (v2.2) マクスウェル固有モードソルバーから直接Energy-Participation Ratioを解析するポストプロセッシングモジュール
• 典型的なsharp cornersや埋め込み2D表面を扱うためのアダプティブメッシュ線形ポアソンソルバーに基づく静電容量行列ソルバー
• 共振器・空洞・トランズモンなどの超伝導回路の固有モードを計算するための周波数領域有限要素マクスウェルソルバー。Inductive Lumpedポートをサポート

教育へのメリット

• 量子技術

スピンまたは超伝導量子デバイスを設計可能

• QTCADのノウハウを継承した豊富な知識

学生はステップバイステップのチュートリアルを利用でき、先生が自由にカスタマイズ可能

• すぐに始められる実用的なユースケース

すぐに始められる典型的な量子ビットデバイスのジオメトリサンプル

• 簡単に利用可能

Python APIを使用した設計パラメータの探索

• 直感的な視覚化

3D視覚化機能とJupyterノートブックをサポート

• 大学/専門学校の学期に対応

組織のニーズに合わせた柔軟なライセンスシステム：授業の規模に制限はありません

• 大学院生と学部生におすすめ

修士や学部4年生の学習レベルに適しています

• 一流の技術サポート

トラブルシューティングに関するテクニカルサポート（インストールと初心者向け）

• 学生にQTCADの大学と企業での実績を共有

世界中の革新的な組織が実際のQPUコンポーネントの設計に使用しています。QTCADユーザーやNanoacademicの量子技術チームによる数十件の論文や学会発表は、QTCADの市場における確固たる地位と独自のポジションを証明しています。学生は、このツールを通して量子ハードウェア設計を学ぶことができます。

製品概要

利点

スピン量子ビットに特化

QTCAD®はスピン量子ビットシステムに関連した物理量を計算できます。
例）固有エネルギー、閉じ込められた電子や正孔の包絡関数、多体エネルギー、化学ポテンシャル、電荷安定図、ラビ振動等

2Dおよび3D構造に対応

任意のデバイスに対するCADモデルとそれに対応したラグランジュメッシュ (Gmsh) を生成し、QTCAD®にインポートできます。

簡単な操作

Python UIによってGDSファイルを直接インポートできます。また、成長方向に沿ってヘテロ構造を積層できます。Python APIによってコードを短縮でき、データの可視化や解析の際にサードパーティのソフトウェアとシームレスに統合できます。さらに、QuTipのような他の量子エコシステムとも連携できます。

アダプティブメッシュ

アダプティブメッシュによって、極低温（1K未満）におけるスピン量子ビットの静電特性を予測できます。これは、他の商用TCADには無い機能です。

適用例

動作環境

動作環境は対象とする系の大きさに依存します。
例として、20万ノード程度までの簡単なデバイス向けの「ラップトップ」と200万ノード程度までの複雑なシミュレーション向けの「デスクトップ」をご紹介します。

	ラップトップ	デスクトップ
OS	Windows	Linux (Ubuntu)
CPU	6th Gen Intel® Core™ i5-6300U @ 2.40GHz （4 スレッド)	13th Gen Intel® Core™ i9-13900K @ 3.00 GHz （32 スレッド）
GPU	個別の GPU は必要なく、統合グラフィックスのみ （GPU はParaViewでのプロットとGmshでのメッシュレンダリングにのみ使用されます）	なし
RAM	8 GB	128 GB
HDD	256 GB (SSD)	1 TB (SSD)

対応 OS

• Windows
• Linux
• macOS

ライセンス

Single user 年間ライセンス、Group 年間ライセンスがございます。
お見積依頼の際には、想定されている利用環境をお知らせください。

トライアル

下記のトライアルフォームよりお問合せください。

製品価格

ライセンスのご案内をご参照のうえ、下記のお見積依頼フォームよりお問合せください。

サポート

論文紹介

• “Spin Qubit Performance at the Error Correction Threshold: Advancing Quantum Information Processing Above 700 mK”
• “Heavy Hole vs. Light Hole Spin Qubits: A Strain-Driven Study of SiGe/Ge and GeSn/Ge”
• “Atomistic first-principles modeling of single donor spin-qubit”

Getting Started 日本語訳 (2025/6)

1. QTCAD API の構造
2. QTCAD シミュレーションのワークフロー
3. 一般的な事項

インストール手順

QTCADのインストールについて