Истражувачи од Berkeley Lab искористија илјадници графички процесори (GPU) за да создадат исклучително детална компјутерска симулација на мал квантен чип — чекор што би можел значително да го забрза развојот на идните квантни компјутери.
Прецизните модели на квантни чипови им помагаат на научниците да предвидат како ќе се однесуваат уредите уште пред да бидат произведени. Со тоа, потенцијалните проблеми се откриваат порано, а дизајните можат да се проверат и подобрат пред да се влезе во скапа изработка.
Во Berkeley Lab, истражувачите Зи Џеки Јао и Енди Нонака од одделот Applied Mathematics and Computational Research (AMCR), во рамки на Quantum Systems Accelerator (QSA), развиваат напредни електромагнетни симулации за поддршка на квантниот хардвер од следната генерација.
„Компјутерскиот модел предвидува како одлуките во дизајнот влијаат врз ширењето на електромагнетните бранови во чипот“, вели Нонака. „Така се осигуруваме дека сигналите се спојуваат правилно и дека нема несакано преклопување меѓу каналите.“
Симулација на екстремен размер за микроскопски уред
За оваа задача тимот го користеше ARTEMIS — ексаскален алат за моделирање — за да симулира и усоврши квантен чип развиен во соработка меѓу Quantum Nanoelectronics Laboratory на Универзитетот Калифорнија, Беркли, предводена од Ирфан Сидики, и Advanced Quantum Testbed (AQT) на Berkeley Lab. Јао ќе го претстави истражувањето на техничка демонстрација на меѓународната конференција за високи перформанси во компјутерството, мрежите, складирањето и анализата (SC25).
Дизајнот на квантните чипови ги спојува принципите на микробрановата инженерска наука со екстремно ниски температури и сложени квантни ефекти. Токму затоа класична електромагнетна платформа како ARTEMIS, првично развиена во рамки на Exascale Computing Project на американското Министерство за енергетика, е добро прилагодена за вакви системи.
Иако не секоја симулација бара огромна пресметковна моќ, овој проект ги помести границите. За да се доловат ситните детали на исклучително сложениот чип, тимот се потпре на речиси целата моќ на суперкомпјутерот Perlmutter. Во текот на 24 часа, биле искористени речиси сите 7.168 NVIDIA GPU за моделирање на повеќеслоен чип со димензии од само 10 милиметри во ширина и 0,3 милиметри во дебелина, со детали мали до еден микрон.
„Не ми е познато некој досега да направил физичко моделирање на микронепелектронски кола на ниво на целиот Perlmutter систем. Ние користевме речиси 7.000 GPU“, вели Нонака. „Чипот го дискретизиравме во 11 милијарди мрежни клетки. Успеавме да изведеме 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 можни во толку краток рок без целиот систем.“
Ова ниво на прецизност го издвојува истражувањето. Многу симулации чиповите ги поедноставуваат како „црни кутии“ поради ограничувањата на пресметувачката моќ, но пристапот до илјадници GPU им овозможи на истражувачите да ја моделираат реалната физичка структура и однесување на уредот.
„Ние правиме целосна бранова физичка симулација, што значи дека ни е важна употребената материја на чипот, распоредот, начинот на кој е поврзано металното жицирање — ниобиум или друг вид метални проводници — како се изработуваат резонаторите, која е нивната големина, форма и материјал“, објаснува Јао. „Ги земаме предвид сите тие физички детали и ги вклучуваме во моделот.“
Следење на квантното однесување во реално време
Покрај структурната деталност, симулацијата ги репродуцира и условите од вистински експерименти, вклучително и начинот на кој кјубитите меѓусебно комуницираат и со останатиот дел од колото.
Со комбинирање на детално физичко моделирање и временска симулација, истражувачите постигнаа нешто ретко. Нивниот пристап ги користи Максвеловите равенки во временски домен, што овозможува да се земат предвид нелинеарните ефекти и да се следи еволуцијата на сигналите.
„Комбинацијата е клучна, затоа што ја користиме парцијалната диференцијална равенка — Максвеловата равенка — и тоа во временски домен, па можеме да вклучиме нелинеарно однесување. Сето ова заедно ни дава единствена можност“, вели Јао.
Проектот беше поддржан од NERSC преку програмата Quantum Information Science @ Perlmutter, која издвојува суперкомпјутерско време за перспективни квантни истражувања. Но и во рамки на таа програма, оваа симулација се издвојува по својата големина и амбиција.
„Овој напор се издвојува како еден од најамбициозните квантни проекти на Perlmutter досега, користејќи го ARTEMIS и пресметковните капацитети на NERSC за да се долови деталноста на квантниот хардвер на повеќе од четири реда големина“, рече Кејти Климко, инженерка за квантно компјутерство во NERSC, која работеше на проектот.
Што следува?
Во следната фаза, тимот планира да ги прошири симулациите за уште попрецизно да го разбере чипот и неговото однесување во поголеми системи.
„Би сакале да направиме поквантитативна симулација за да можеме да направиме постпроцесирање и да го измериме спектралното однесување на системот“, вели Јао. „Сакаме да видиме како кјубитот резонира со остатокот од колото. Во фреквенциски домен би сакале да го споредиме со други симулации во фреквенциски домен за да добиеме поголема доверба дека резултатот е квантитативно точен.“
На крајот, моделот ќе биде спореден со реалниот експеримент. Откако чипот ќе биде изработен и ќе помине лабораториско тестирање, истражувачите ќе ги споредат резултатите со предвидувањата и ќе ја доусовршат симулацијата.
Јао и Нонака нагласуваат дека успехот е резултат на тесна соработка меѓу Berkeley Lab и партнерските институции, вклучувајќи ги AMCR, QSA, AQT и NERSC, кои обезбедија и пресметковна моќ и техничка експертиза. Според директорот на QSA, Берт де Јонг, ова е важен напредок.
„Оваа невидена симулација, овозможена од широка соработка меѓу научници и инженери, е критичен 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.“
