Создавањето прецизни компјутерски модели на квантни чипови им овозможува на научниците да предвидат како ќе се однесуваат уште пред да започне нивното производство. Овој пристап им помага на истражувачите навреме да откријат потенцијални проблеми и да потврдат дека дизајнот ќе функционира како што е планирано.
Во Лабораторијата Беркли, истражувачите од Quantum Systems Accelerator (QSA), Зи „Џеки“ Јао и Енди Нонака од Одделот за применета математика и компјутерско истражување (AMCR), развиваат напредни електромагнетни симулации за да ја поддржат изработката на квантен хардвер од следната генерација.
„Компјутерскиот модел предвидува како дизајнерските одлуки влијаат врз ширењето на електромагнетните бранови во чипот“, вели Нонака, „за да се обезбеди соодветно спојување на сигналите и да се избегне несакано крос-говорење.“
За оваа работа тимот го користел ARTEMIS, ексаскален алат за моделирање, за да симулира и дообликува квантен чип развиен во соработка меѓу Квантната нанoелектронска лабораторија на Ирфан Сидики на Универзитетот во Калифорнија, Беркли, и Advanced Quantum Testbed (AQT) на Беркли Лаб. Јао ќе го претстави истражувањето на техничка демонстрација на меѓународната конференција SC25.
Дизајнот на квантни чипови комбинира елементи од микробрановата инженерство со сложеноста на физиката на екстремно ниски температури. Поради тоа, класична платформа за електромагнетни симулации како ARTEMIS, првично развиена во рамки на DOE Exascale Computing Project, е особено погодна за проучување на овие системи.
Суперкомпјутер од огромни размери за мал чип
Иако не секоја симулација бара екстремни ресурси, овој проект ги помести границите. За да се прикажат фините детали на исклучително сложен чип, тимот ја искористил речиси целата моќ на суперкомпјутерот Perlmutter. Во текот на 24 часа, биле употребени речиси сите 7.168 NVIDIA ГПУ-а за да се моделира повеќеслоен чип со димензии од само 10 милиметри и дебелина од 0,3 милиметри, со структури мали до еден микрон.
„Не сум свесен дека некој досега направил физичко моделирање на микроелектронски кола на целосен системски размер на Perlmutter. Користевме речиси 7.000 ГПУ-а“, рече Нонака. „Го дискретизиравме чипот во 11 милијарди мрежни клетки. Успеавме да извршиме над еден милион временски чекори за седум часа, што ни овозможи да оцениме три конфигурации на колото во текот на еден ден на Perlmutter. Овие симулации немаше да бидат возможни во овој временски рок без целиот систем.“
Овој степен на прецизност ја издвојува работата. Многу симулации ги поедноставуваат чиповите како „црни кутии“ поради компјутерските ограничувања, но пристапот до илјадници ГПУ-а им овозможил на истражувачите да ја моделираат реалната физичка структура и однесување на уредот.
„Ние правиме целобранова физичка симулација, што значи дека ни е важно кој материјал се користи на чипот, распоредот на чипот, како се поврзуваат металните жици — ниобиум или друг вид метални жици — како се градат резонаторите, колкава е големината, каква е формата, кој материјал се користи“, рече Јао. „Ни се важни тие физички детали и ги вклучуваме во нашиот модел.“
Покрај структурните детали, симулацијата го пресоздава и однесувањето на чипот за време на реални експерименти, вклучително и меѓусебната интеракција на кјубитите и нивната врска со остатокот од колото.
Снимање на квантното однесување во реално време
Со комбинирање на детално физичко моделирање и временска симулација, истражувачите постигнале нешто невообичаено. Нивниот пристап ја користи Максвеловата равенка во временска област, што им овозможува да ги земат предвид нелинеарните ефекти и да го следат развојот на сигналите.
Комбинацијата на овие својства — фокус на физичкиот дизајн на чипот и можноста за симулација во реално време — е дел од причината зошто симулацијата е единствена, вели Јао: „Комбинацијата е клучна, бидејќи ја користиме парцијалната диференцијална равенка, Максвеловата равенка, и тоа во временска област за да можеме да вклучиме нелинеарно однесување. Сето тоа заедно ни дава уникатна можност.“
Проектот беше поддржан од NERSC преку програмата Quantum Information Science @ Perlmutter, која доделува време на суперкомпјутер за ветувачки истражувања во квантната наука. Дури и во рамки на таа програма, оваа симулација се издвоилa со својата големина и амбиција.
„Овој напор се издвојува како еден од најамбициозните квантни проекти на Perlmutter досега, користејќи ги можностите на ARTEMIS и NERSC за да се долови деталноста на квантниот хардвер на повеќе од четири реда по големина“, рече Кејти Климко, инженерка за квантно пресметување во NERSC, која работела на проектот.
Следни чекори во моделирањето на квантни чипови
Во иднина, тимот планира да ги прошири симулациите за да добие попрецизно разбирање на чипот и неговото однесување во поголеми системи.
„Би сакале да направиме поквантитативна симулација за да можеме да направиме постпроцесирање и да го квантифицираме спектралното однесување на системот“, рече Јао. „Би сакале да видиме како кјубитот резонира со остатокот од колото. Во фреквентна област, би сакале да го споредиме со други фреквентни симулации за да добиеме поголема доверба дека симулацијата е точно квантитативна.“
На крајот, моделот ќе биде проверен со реалноста. Откако чипот ќе биде изработен и експериментално тестиран, истражувачите ќе ги споредат резултатите со своите предвидувања и соодветно ќе ја подобрат симулацијата.
Јао и Нонака нагласија дека овој успех е резултат на тесна соработка меѓу Беркли Лаб и неговите партнери, вклучувајќи ги AMCR, QSA, AQT и NERSC, кои обезбедиле и пресметковна моќ и техничка експертиза. Според директорот на QSA, Берт де Јонг, ова претставува важен чекор напред.
„Оваа безпреседанска симулација, овозможена од широка соработка меѓу научници и инженери, е клучен чекор напред за забрзување на дизајнот и развојот на квантен хардвер“, рече тој. „Помоќни и поефикасни квантни чипови ќе отклучат нови можности за истражувачите и ќе отворат нови патишта во науката.“
