Суперкомпьютер Perlmutter провел полномасштабное моделирование квантового чипа
Коллектив исследователей из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и Калифорнийского университета в Беркли достиг прорыва, проведя беспрецедентное полномасштабное физическое моделирование микрочипа для квантовых компьютеров следующего поколения. Это масштабное моделирование стало важным шагом на пути к совершенствованию аппаратного обеспечения будущих квантовых вычислений.
Мощнейший суперкомпьютер Perlmutter, расположенный в Национальном вычислительном центре научных исследований в области энергетики, был задействован почти полностью: 7168 графических процессоров NVIDIA работали на пределе своих возможностей в течение 24 часов. Моделирование проводилось с помощью экзафлопсного инструмента ARTEMIS, изначально разработанного в рамках Экзафлопсного вычислительного проекта Министерства энергетики США. Этот инструмент уникально подходит для многомасштабных задач, связанных с проектированием квантовых чипов, которое включает в себя СВЧ-инженерию, физику низких температур и точное электромагнитное моделирование.
Моделирование конкретного чипа, разработанного Лабораторией квантовой наноэлектроники под руководством Ирфана Сиддики, потребовало колоссальных вычислительных мощностей из-за его чрезвычайной сложности. Несмотря на крошечные размеры — чип составляет всего 10 миллиметров в длину и ширину и 0,3 миллиметра в толщину, а ширина травлений равна одному микрону — для захвата его полной физической структуры потребовались практически все графические процессоры суперкомпьютера Perlmutter. Исследователи дискретизировали чип на 11 миллиардов сеточных ячеек и провели более миллиона временных шагов всего за семь часов, что позволило протестировать три конфигурации схем за один день.
В отличие от типичных моделей, это моделирование учитывало материальный состав чипа, разводку проводников, геометрию резонаторов и электромагнитные взаимодействия, то есть проводилось на полноволновом физическом уровне. Как отметил один из разработчиков модели, они заботятся о физических деталях и включают их в свою модель. Моделирование также точно отражало поведение чипа в реальных лабораторных условиях, включая взаимодействие кубитов друг с другом и с общей схемой. Решение уравнений Максвелла во временной области помогает учитывать нелинейные поведения, что придает модели уникальную прогностическую способность.
Следующими шагами команды станут более количественные симуляции, тестирование поведений в частотной области и, в конечном итоге, сравнение результатов с физически изготовленным чипом. Это достижение наглядно демонстрирует, как сотрудничество между различными подразделениями ускоряет разработку квантового аппаратного обеспечения и открывает новые научные возможности.