Широкое объединение исследователей из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) и Калифорнийского университета в Беркли совместно выполнило беспрецедентное моделирование квантового микрочипа — ключевой шаг вперёд в совершенствовании чипов, необходимых для этой технологии следующего поколения. Симуляция использовала более 7 000 GPU NVIDIA на суперкомпьютере Perlmutter в Национальном центре научных вычислений энергетических исследований (NERSC), пользовательском центре Министерства энергетики США (DOE).

Моделирование квантовых чипов позволяет исследователям понять их функцию и производительность до их изготовления, обеспечивая их работу по назначению и выявляя возможные возникающие проблемы. Исследователи Quantum Systems Accelerator (QSA) Чжи Джеки Яо и Энди Нонака из отдела прикладной математики и вычислительных исследований (AMCR) в лаборатории Беркли разрабатывают электромагнитные модели для моделирования этих чипов — ключевой этап в процессе создания более качественного квантового оборудования.

«Вычислительная модель предсказывает, как конструктивные решения влияют на распространение электромагнитных волн в чипе, — сказал Нонака, — чтобы обеспечить правильное взаимодействие сигналов и избежать нежелательных перекрёстных помех.»

Здесь они использовали свой инструмент экзамасштабного моделирования ARTEMIS для моделирования и оптимизации чипа, разработанного в сотрудничестве с Лабораторией квантовой наноэлектроники Ирфана Сиддики в Калифорнийском университете в Беркли и Advanced Quantum Testbed (AQT) лаборатории Беркли. Эта работа будет представлена в технической демонстрации Яо на Международной конференции по высокопроизводительным вычислениям, сетям, хранилищу и анализу (SC25).

Проектирование квантовых чипов включает традиционную микроволновую инженерию наряду с продвинутой низкотемпературной физикой. Это делает классический инструмент электромагнитного моделирования, такой как ARTEMIS, разработанный в рамках проекта Exascale Computing Project DOE, естественным выбором для такого типа моделирования.

Большая симуляция для крошечного чипа

Не каждая симуляция квантовых чипов требует таких вычислительных мощностей, но моделирование мельчайших деталей этого крошечного, чрезвычайно сложного чипа требовало почти всей мощности Перлмуттера. Исследователи использовали почти все 7 168 NVIDIA GPU в течение 24 часов, чтобы запечатлеть структуру и функцию многослойного чипа размером всего 10 миллиметров в квадрате и 0,3 миллиметра толщиной, с гравировками шириной всего один микрон.

«Я не знаю никого, кто когда-либо занимался физическим моделированием микроэлектронных схем в полном масштабе системы Перлмуттера. Мы использовали почти 7 000 GPU», — сказал Нонака.

«Мы дискретизировали чип на 11 миллиардов ячеек сетки. Мы смогли выполнить более миллиона шагов времени за семь часов, что позволило оценить три конфигурации цепей за один день на Perlmutter. Эти симуляции были бы невозможны в этот период без полной системы.»

Именно такой уровень детализации делает эту симуляцию уникальной. В то время как другие симуляции обычно рассматривают чипы как «чёрные ящики» из-за ограничений по возможностям моделирования, использование массово-параллельных GPU Перлмуттера дало Яо и Нонаке вычислительные мощности, чтобы зацикливаться на физических деталях и показать работу механизма чипа.

«Мы проводим полноволновое физическое симуляционное моделирование, то есть нам важно, какой материал вы используете на чипе, его компоновку, как вы проводите металл — ниобий или другой тип металлических проводов — как строите резонаторы, какого размера, формы, какой материал вы используете», — сказал Яо. «Нам важны эти физические детали, и мы включаем их в нашу модель.»

Помимо тонкого обзора чипа, симуляция имитировала опыт лабораторных экспериментов — то, как кубиты взаимодействуют друг с другом и с другими частями квантовой цепи.

Сочетание этих качеств — акцент на физическом дизайне чипа и возможность моделирования в реальном времени — является частью того, что делает симуляцию уникальной», — сказал Яо: «Комбинация очень важна, потому что мы используем уравнение в частных производных, уравнение Максвелла, и делаем это во временной области, чтобы включать нелинейное поведение. Всё это даёт нам уникальные возможности.»

NERSC поддержала множество проектов в области квантовой информационной науки через программу Quantum Information Science @ Perlmutter, которая предоставляет часы Director’s Discretionary Reserve на Perlmutter перспективным квантовым проектам. Тем не менее, сотрудники отмечают, что выполнение симуляции такого масштаба было захватывающей задачей.

«Эта работа выделяется как один из самых амбициозных квантовых проектов на Perlmutter на сегодняшний день, используя вычислительные возможности ARTEMIS и NERSC для фиксации квантовых аппаратных деталей более чем в четырёх порядках», — сказала Кэти Климко, инженер по квантовым вычислениям NERSC, работавшая над проектом.

Моделирование следующего шага

Далее команда планирует провести дополнительные симуляции, чтобы укрепить количественное понимание конструкции чипа и увидеть, как он функционирует в более крупной системе.

«Мы хотели бы провести более количественное моделирование, чтобы провести постпроцесс и количественно оценить спектральное поведение системы», — сказал Яо. «Хотелось бы посмотреть, как кубит резонирует с остальной частью цепи. В частотной области мы хотели бы сравнить её с другими частотными симуляциями, чтобы повысить уверенность в том, что количественно симуляция корректна.»

В конечном итоге симуляция пройдёт высшее испытание: сравнение с физическим миром. Когда чип будет изготовлен и проверен, Яо и Нонака посмотрят, как их модель соответствует, и внесут корректировки.

Нонака и Яо подчеркнули, что успешная симуляция этой технологии на таком уровне детализации была бы невозможна без тесного сотрудничества между сообществом Беркли — от AMCR до QSA и AQT до NERSC, которые поддерживали симуляцию опытом сотрудников и вычислительной мощностью. Сотрудничество принесло важные результаты для развития науки, отметил директор QSA Берт де Йонг.

«Эта беспрецедентная симуляция, возможная благодаря широкому партнёрству между учёными и инженерами, является критическим шагом вперёд для ускорения проектирования и разработки квантового оборудования», — сказал он. «Более мощные и производительные квантовые чипы откроют новые возможности для исследователей и откроют новые направления в науке.»