オックスフォード・インストゥルメンツ・ナノサイエンス社の低温システム制御と計測を統合支援するオープンソースツール

By Tony Matthews

オックスフォード・インストゥルメンツが開発中の新しいツールとはどんなものですか？

オックスフォード・インストゥルメンツは、物理学研究用の超低温・高磁場システムを製造してきた長い歴史を持っています。近年では、oi.DECSと名付けられた新しい制御システムを導入しています。

oi.DECSは、システムの操作（例えば、冷凍機を室温からミリケルビン領域まで冷却するのに必要なルーチンを実行する）を担当するだけでなく、マルチユーザー環境やリモート接続を容易にし、システムをより簡単に監視、操作、管理できるように設計されています。

これを実現するために、oi.DECSは認証、認可、セッション管理といった概念を取り入れています。簡単に説明すると、認証は特定のシステムへの接続を許可するユーザーを管理し、認可は接続後にできることを決定し、セッション管理は複数のリモートユーザーが互いの作業を邪魔しないように管理します。

このなぜシステムにオープン・スタンダードを採用しているのですか？

オープンソースが重要なのは、科学がコラボレーションに基づいているからです。例えば、Zenodoのようなプラットフォームを通じてデータを一般に公開し、「オープン」な科学を推進する動きが絶え間なく続いています。オープンソースは、透明性を促進し、スキル開発を奨励し、採用への障壁を低くします。

企業もオープンソースプロジェクトの価値を認めています。例えば、Metaは、オープンソースのソフトウェアソリューションが広く採用されることで、業界標準になることが多いことを観察し、マイクロソフトのVSCodeエディタは、開発者にとって標準的な選択肢になりつつある。要するに、オープン・スタンダードを採用することで、より多くの人々がプロジェクトに貢献し、イノベーションにより多くの時間を割くことができる。

これが、Microsoft QCoDeSイニシアチブの原動力となった。QCoDeSの目標は、物理学実験のための共通のフレームワークを構築することで、実験に参加するために必要なソフトウェアを学ぶ時間を節約し、コードをフレームワークに還元し、実験が最新のソフトウェアとベストプラクティスを活用できるようにすることである。

マイクロソフトQCoDeSプロジェクトには、研究コミュニティによって開発された多くの装置ドライバがすでに含まれている。これらの貢献されたドライバーの多くは、当社の顧客が当社の極低温およびマグネット・プラットフォームで測定を実行するために既に使用している装置用です。

では、これらのツールは具体的に何を追加するのでしょうか？

通常、私たちのシステムは、より広範な測定システムやデータ収集システムに統合されています。例えば、電気的輸送測定では、温度と印加磁場の両方の関数として試料の抵抗率を測定することが目的かもしれません。低温・高磁場環境に加えて、実験者は電流源、電圧プリ・アンプ、そしておそらく2台のロックイン・アンプなどの機器を含めたいと思うでしょう。

オックスフォード・インストゥルメンツのProteox製品ラインのような最新の無冷媒希釈冷凍機システムは、-14Tから+14Tの磁場を印加しながら、<4mKから>40Kまでの4桁に及ぶ温度範囲で動作できることを考えると、探索すべきパラメータ空間はかなり広いいです。例えば、各測定における電流と周波数の関数として電圧を記録することを目的とする場合、これはさらに拡大します。このような測定は自動化されて初めて実用的であり、そのためアプリケーション・プログラミング・インターフェース（API）が必要となります。

上記のような試験計測機器は、VISA（Virtual Instrument Software Architecture）やSCPI（Standard Commands for Programmable Instruments）のような標準規格によって高度な相互運用性を持っていることが多いが、これらの標準規格にはoi.DECSのような追加機能の規定はありません。

oi.DECSを実行するシステムとVISAを中心に構築された計測器との統合を簡素化するために、我々は'DECS<->VISA'を開発した。これは、VISA計測器用に書かれた既存のコードやフレームワークと直接互換性のある方法でoi.DECS APIへのアクセスを提供するシンプルな "ラッパー "です。

つまり、実験を素早く実行できるという事ですか？

その通りです。計測とは複数の機器を統合することだとわかっているので、そのプロセスをできるだけスムーズにするための努力です。

DECS<->VISA'プロジェクトはgithubで誰でもアクセスできます。

QCoDeSの統合もオックスフォード・インストゥルメンツ・ナノサイエンスが取り組んでいることなのでしょうか？

もちろんです。DECS<->VISAラッパーが完成したので、oi.DECSベースのシステム用のQCoDeSドライバを追加するのは比較的簡単です。

QCoDeS contributed drivers リポジトリにまもなくプルリクエストができると思います。

このQCoDeSドライバーの最初のβテスターであるインペリアル・カレッジ・ロンドンの量子デバイスのリサーチ・アソシエイトであるDr Stefanos Dimitriadisは、「私はオックスフォード・インストゥルメンツのQCoDeSドライバーを使用して、ProteoxMX希釈冷凍機の温度を遠隔制御し、一連の測定の自動化と他の装置とのシームレスな統合が可能でした。このドライバは、新規ジョセフソン接合の臨界電流の温度依存性を調査している間、特に有用であることが証明されました。これにより、デバイス内の支配的な輸送モードが、ミリケルビン単位の一連の温度を通して推測され、設定温度での各測定には約6時間かかりました。」とコメントしています。

QCoDeSで他に何が作れるのですか？

oi.DECSプラットフォームはリモートかつマルチユーザを想定しているので、データ取得についても同様のアプローチを提供したいと考えています。昨年のAPSでは、ユーザーがリモートでコーディング環境にアクセスできるJupyterLab /JupyterHubサーバーからなるデモシステムを用意しました。そこからQCoDeSを使って、oi.DECSベースの環境例や、実験を実行するための計測機器を制御しました。QCoDeSが提供する構造化されたデータベース・ストレージにより、ウェブ経由で計測の「ダッシュボード」にアクセスすることもできる。

測定結果のコントロールとデータへのアクセスを、その後のデータ処理に使用できるプログラミング環境内ですべて行えるということは、個々のデータファイルの保存場所や、測定実行に使用するシステムと生成されたデータの解析に使用するシステムの入れ替えを心配する必要がないということです。

このセットアップに関するフィードバックは非常に好意的であったため、今年3月のミーティングでは、レイク・ショア社の他の機器を含む別のデモンストレーションを行う予定です。

レイク・ショア社との協業はいかがですか？

レイク・ショア社とは、レイク・ショア社の測定装置を当社の環境に統合することを目的とした継続的な協力関係を結んでおり、協力することで、サンプルの熱処理と配線の両面で最適なソリューションを確保することができます。つまり、シグナルチェーン全体をすぐに使えるようにするのです。

ということは、レイクショア製品にもQCoDeSドライバーがあるということですか？

もうすぐです！Lake Shoreはほとんどの測定器に対してオープンソースのPythonドライバを用意しています。これらの開発の一環として、基本的な機能を提供するQCoDeSドライバーをいくつか作りました。これらをもう少し拡張したら、コントリビュート・ドライバーとして提出する予定です。

次のステップについて教えて下さい。

私たちはoi.DECSを製品群全体に展開しています。次のステップは、当社のTeslatronPTシステムを組み込むことです。このようなシステムは、材料特性測定に非常に有用であり、これらの測定は多くの場合、電気輸送測定です。

oi.DECS用のQCoDeSドライバーを持つことは、TeslatronPT用のAPIがすぐに利用できることを意味します。レイクショアM81とM91装置用のQCoDeSドライバーとJupyterHubサーバーを組み合わせることで、完全な測定ソリューションを提供することができます。レイクショア社との緊密なコラボレーションにより、最適なパフォーマンスをお約束します。

システムに統合された測定機能を提供する予定はありますか？

そうですね。私たちのエンドユーザーは測定に興味を持っているので、サンプル環境だけでなく、より完全なソリューションを提供することは有利なはずです。QCoDeSの柔軟性と貢献したドライバーは、このようなシステムの機能をエンドユーザーが簡単に拡張し、より複雑な測定アレンジメントを構築できることを意味します。

つまり、ユーザーは「プログラマー」になる必要があるということですか？

そうではありません。Pythonは基本的にデータ解析の共通言語です。ですから、私たちのユーザーの多く（ほとんどではないにせよ）は、"フードの下 "に入って自分好みに調整することに非常に慣れていると予想しています。その一方で、参入障壁を低くしたいとも考えています。

JupyterHubを使うということは、あらかじめ用意された計測の「テンプレート」を利用できるということであり、ipywidgetシステムは「GUI」のような入力フィールドを可能にします

これは「ブラックボックス」システムのユーザーにはおなじみだと推測しています。私たちが目指しているのは、よりオープンで適応性の高い "グレーボックス "ソリューションであり、ユーザーは複雑なことを知らなくてもシステムを操作し、標準的な機能を得ることができます。

ユーザーがこれらのシステムを変更することを想定していますか？

もちろんです。私たちは、私たちのシステムが非常に長い間使用され続けていることを知っています。そのため、現在システムで行われている測定は、システムが最初に購入された当初のアプリケーションとは大きく異なる可能性があります。多くの場合、配線が追加されたり変更されたりして、異なる測定機器がシステムに接続され、新しい測定ルーチンが開発されます。

このような拡張性が設計され、より広いコミュニティからの作業を活用できるシステムを持つことで、適応が非常に容易になります。

これは計測エコシステムと呼べるだろうか?

その種はすでに蒔かれています。研究者が積極的に装置ドライバーを共有するのであれば、測定ルーチン、ヒント、テクニックを共有することは、オックスフォード・インストゥルメンツも参加したいことです。

2024年3月3日～8日にミネソタ州ミネアポリスで開催されるAPS March Meetingのオックスフォード・インストゥルメンツのブース#717で、TonyとAbeに会いに来てください。