Superpočítač simuluje kvantový čip podrobně jako nikdy předtím
Gaby Clark
vědecký redaktor
Robert Egan
spolupracující redaktor
Široké sdružení výzkumníků z Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) a University of California, Berkeley, spolupracovalo na bezprecedentní simulaci kvantového mikročipu, což představuje klíčový krok vpřed v dokončení čipů potřebných pro tuto technologii nové generace. Simulace využila více než 7 000 GPU NVIDIA na superpočítači Perlmutter v Národním energetickém výzkumném vědeckém výpočetním centru (NERSC), které slouží uživatelům z ministerstva energetiky USA.
Modelování kvantových čipů umožňuje výzkumníkům pochopit jejich funkci a výkon ještě před jejich vyrobením, což zajišťuje, že budou fungovat, jak bylo zamýšleno, a pomáhá odhalit problémy, které by se mohly objevit. Výzkumníci ze skupiny Quantum Systems Accelerator (QSA) Zhi Jackie Yao a Andy Nonaka z divize aplikované matematiky a výpočetního výzkumu (AMCR) v Berkeley Lab vyvíjejí elektromagnetické modely k simulaci těchto čipů, což je klíčový krok v procesu výroby lepšího kvantového hardwaru.
„Výpočetní model predikuje, jak designové rozhodnutí ovlivňuje šíření elektromagnetických vln v čipu,“ řekl Nonaka, „aby se zajistilo správné spojení signálů a zabránilo se nežádoucímu krosstalku.“
V tomto případě použili svůj modelovací nástroj exascale, ARTEMIS, k modelování a optimalizaci čipu navrženého ve spolupráci s Laboratoří kvantové nanoelektroniky Irfana Siddiqiho na University of California, Berkeley, a pokročilým kvantovým testovacím zařízením Berkeley Lab (AQT). Tato práce bude prezentována na technické ukázce Yao na Mezinárodní konferenci o výpočetní technice, síťování, úložištích a analýze (SC25).
Návrh kvantových čipů zahrnuje tradiční mikrovlnné inženýrství a pokročilou fyziku při nízkých teplotách. To činí klasický elektromagnetický modelovací nástroj jako ARTEMIS, který byl vyvinut v rámci iniciativy Exascale Computing Project ministerstva energetiky USA, přirozenou volbou pro tento typ modelování.
Velká simulace pro malý čip
Ne každá simulace kvantového čipu vyžaduje takové počítačové kapacity, ale modelování malých detailů tohoto extrémně složitého čipu vyžadovalo téměř veškerou moc Perlmutteru. Výzkumníci použili téměř všechny jeho 7 168 GPU po dobu 24 hodin, aby zachytili strukturu a funkci vícerozměrného čipu měřícího pouhých 10 milimetrů čtverečných a 0.3 milimetrů silného s rytinami širokými pouhý jeden mikron.
„Nevím o nikom, kdo by kdy provedl fyzické modelování mikroelektronických obvodů na plné míře systému Perlmutter. Použili jsme téměř 7 000 GPU,“ uvedl Nonaka.
„Discretizovali jsme čip do 11 miliard mřížkových buněk. Byli jsme schopni provést více než milion časových kroků za sedm hodin, což nám umožnilo vyhodnotit tři konfigurace obvodů během jediného dne na Perlmutteru. Tyto simulace by nebyly možné v této časové framě bez plného systému.“
Tento úroveň detailů činí tuto simulaci jedinečnou. Zatímco jiné simulace obvykle zacházejí s čipy jako s „černými skříňkami“ kvůli omezením v modelovacích schopnostech, použití masivně paralelních GPU Perlmutteru poskytlo Yao a Nonakovi výpočetní sílu, aby se zaměřili na fyzické detaily a ukázali mechanismus čipu v akci.
„Provádíme simulaci fyzické úrovně pomocí vlnovou teorii, což znamená, že nám záleží na tom, jaký materiál použijete na čipu, na uspořádání čipu, jak zapojujete kov—niobové nebo jiné typy kovových drátů—jak stavíte rezonátory, jaká je jejich velikost, jaký tvar mají, jaký materiál použijete,“ řekl Yao. „Záleží nám na těch fyzických detailech a zařazujeme je do našeho modelu.“
Kromě jemného pohledu na čip simulace napodobila zkušenost experimentů v laboratoři—jak spolu komunikují qubity a další části kvantového obvodu.
Kombinace těchto vlastností—důraz na fyzický design čipu a schopnost simulovat v reálném čase—je součástí toho, co dělá simulaci jedinečnou, uvedl Yao: „Kombinace je klíčová, protože používáme parciální diferenciální rovnici, Maxwellovy rovnice, a děláme to v časové doméně, abychom mohli zahrnout nelineární chování. To vše se spojuje a poskytuje nám jedinečné schopnosti.“
NORSK podpořil mnoho projektů v oblasti kvantové informační vědy prostřednictvím programu Quantum Information Science @ Perlmutter, který uděluje hodiny v rámci Director’s Discretionary Reserve projektům, které slibují. Nicméně, pracovníci říkají, že zvládnout simulaci této velikosti byla vzrušující výzva.
„Tato snaha vystupuje jako jeden z nejambicióznějších kvantových projektů na Perlmutteru dosud, používající ARTEMIS a výpočetní schopnosti NERSC k zachycení podrobností kvantového hardwaru v rozsahu více než čtyř řádů,“ říká Katie Klymko, inženýr pro kvantové výpočty v NERSC, který na projektu pracoval.
Modelování dalšího kroku
Následně tým plánuje provést další simulace k posílení svého kvantitativního porozumění designu čipu a zjistit, jak funguje jako součást většího systému.
„Rádi bychom provedli kvantitativnější simulaci, abychom mohli provést post-process a kvantifikovat spektrální chování systému,“ řekl Yao. „Chtěli bychom vidět, jak qubit rezonuje s ostatními částmi obvodu. V frekvenční doméně bychom chtěli porovnat s jinými simulacemi v této doméně, abychom získali větší důvěru, že je simulace kvantitativně správná.“
Nakonec simulace projde konečnou zkouškou: srovnáním s fyzickým světem. Jakmile bude čip vyroben a podroben testům, Yao a Nonaka uvidí, jak se jejich model osvědčil a jaké úpravy budou potřeba.
Nonaka a Yao zdůraznili, že úspěšná simulace této technologie na této úrovni detailu by nebyla možná bez silné spolupráce v rámci Berkeley komunity, od AMCR přes QSA až po AQT a NERSC, který podpořil simulaci odborným personálem vedle výpočetní síly. Tato spolupráce přinesla důležité výsledky pro pokrok v oblasti vědy, uvedl ředitel QSA Bert de Jong.
„Tato bezprecedentní simulace, možná díky širokého partnerství mezi vědci a inženýry, je kritickým krokem vpřed k urychlení návrhu a vývoje kvantového hardwaru,“ řekl. „Silnější a výkonnější kvantové čipy otevřou nové možnosti pro výzkumníky a nové cesty ve vědě.“
