7000個GPU以前所未有的細節(jié)模擬量子微芯片。

利用Perlmutter 超級計算機，研究人員實現(xiàn)了量子微芯片的創(chuàng)紀錄規(guī)模模擬，以改進和驗證下一代量子硬件設計。

勞倫斯伯克利國家實驗室（伯克利實驗室）和加州大學伯克利分校的研究人員完成了迄今為止在量子微芯片上進行的最詳細的模擬之一。該項目標志著在改進量子技術所需硬件方面取得了重要進展。

科學家們利用美國能源部超級計算機上的數(shù)千個GPU，以前所未有的物理細節(jié)模擬了量子微芯片。來源：Shutterstock

為了完成這項工作，該團隊依靠了位于美國能源部(DOE) 用戶設施——國家能源研究科學計算中心 (NERSC) 的 Perlmutter 超級計算機上運行的 7000 多個 NVIDIA GPU。

在實際制造量子芯片之前對其進行模擬，可以讓科學家評估其功能并及早發(fā)現(xiàn)潛在的設計缺陷。通過在虛擬環(huán)境中測試性能，研究人員可以提高可靠性并減少成本高昂的制造迭代。伯克利實驗室應用數(shù)學與計算研究部(AMCR) 的 Zhi Jackie Yao和野中郁次郎均隸屬于量子系統(tǒng)加速器 (QSA)，他們開發(fā)了先進的電磁模型來分析這些芯片的運行機制，這是構(gòu)建更強大的量子硬件的關鍵一步。

“該計算模型預測設計決策如何影響芯片中的電磁波傳播，”野中郁次郎說，“以確保發(fā)生正確的信號耦合并避免不必要的串擾。”

在這個項目中，團隊利用其百億億次級建模平臺ARTEMIS，對一款芯片進行了模擬和改進。該芯片是由加州大學伯克利分校伊爾凡·西迪基（Irfan Siddiqi）的量子納米電子實驗室與伯克利實驗室的先進量子測試平臺（AQT）合作開發(fā)的。Yao將在高性能計算、網(wǎng)絡、存儲和分析國際會議（SC25）上展示相關技術成果。

一個研究團隊利用珀爾穆特超級計算機的7168個NVIDIA GPU，在24小時內(nèi)幾乎全部運行，成功解析了一塊多層芯片的結(jié)構(gòu)和功能。這塊芯片邊長10毫米，厚度0.3毫米，蝕刻紋路寬度僅為1微米。來源：Yao/伯克利實驗室

制造量子芯片需要將成熟的微波工程技術與超低溫量子物理的要求相結(jié)合。正是由于這種經(jīng)典與量子因素的融合，最初在美國能源部百億億次級計算項目計劃下開發(fā)的ARTEMIS模型，為模擬這些器件內(nèi)部復雜的電磁行為提供了一個有效的框架。

針對微型芯片的大型模擬

并非所有量子芯片模擬都需要如此強大的計算能力，但對這款極其微小且結(jié)構(gòu)極其復雜的芯片進行建模，幾乎耗盡了Perlmutter超級計算機的全部算力。研究人員在24小時內(nèi)幾乎用盡了其7168個NVIDIA GPU，才得以捕捉到這款尺寸僅為10毫米見方、厚度僅為0.3毫米、蝕刻寬度僅為1微米的多層芯片的結(jié)構(gòu)和功能。

微芯片的計算機生成蝕刻圖

“據(jù)我所知，此前還沒有人使用完整的Perlmutter系統(tǒng)規(guī)模進行過微電子電路的物理建模。我們當時使用了近7000個GPU，”野中郁次郎說道?！拔覀儗⑿酒x散化為110億個網(wǎng)格單元。我們能夠在7小時內(nèi)運行超過100萬個時間步，這使得我們能夠在Perlmutter系統(tǒng)上一天之內(nèi)評估三種電路配置。如果沒有完整的系統(tǒng)，這些模擬在如此短的時間內(nèi)是不可能完成的。”

正是這種精細程度使得這項模擬獨樹一幟。其他模擬由于建模能力的限制，往往將芯片視為“黑盒”，而使用Perlmutter的大規(guī)模并行GPU，則為Yao和野中郁次郎提供了強大的計算能力，使他們能夠深入研究物理細節(jié)，并展示芯片的工作原理。

Yao說：“我們進行的是全波物理級仿真，這意味著我們關注芯片上使用的材料、芯片的布局、金屬導線（鈮或其他金屬導線）的布線方式、諧振器的構(gòu)建方式、尺寸、形狀以及所用材料。我們關注這些物理細節(jié)，并將它們納入我們的模型中。”

除了對芯片進行精細的觀察外，該模擬還模擬了實驗室實驗的體驗——量子比特如何相互通信以及如何與量子電路的其他部分通信。

Yao表示，正是這些特質(zhì)的結(jié)合——既注重芯片的物理設計，又具備實時仿真能力——使得該仿真技術獨樹一幟：“這種結(jié)合至關重要，因為我們使用了偏微分方程和麥克斯韋方程，并且在時域中進行計算，從而能夠考慮非線性行為。所有這些因素加在一起，使我們擁有了獨一無二的能力?！?/p>

NERSC通過“珀爾穆特量子信息科學計劃”支持了許多量子信息科學項目，該計劃為有前景的量子項目提供珀爾穆特天文臺主任自由支配儲備時間。盡管如此，工作人員表示，處理如此大規(guī)模的模擬仍然是一項令人興奮的挑戰(zhàn)。

“這項工作是迄今為止在珀爾穆特超級計算機上最雄心勃勃的量子項目之一，它利用 ARTEMIS 和 NERSC 的計算能力，捕捉超過四個數(shù)量級的量子硬件細節(jié)，”參與該項目的NERSC量子計算工程師 Katie Klymko 說。

模擬下一步

接下來，該團隊計劃進行更多模擬，以加強對芯片設計的定量理解，并了解它如何在更大的系統(tǒng)中發(fā)揮作用。

Yao說：“我們希望進行更定量的模擬，以便進行后處理并量化系統(tǒng)的頻譜行為。我們想看看量子比特如何與電路的其余部分共振。在頻域方面，我們希望將其與其他頻域模擬進行比較，從而更有信心地驗證模擬結(jié)果的定量準確性。”

最終，模擬結(jié)果將接受終極考驗：與現(xiàn)實世界進行比較。當芯片制造完成并經(jīng)過全面測試后，姚和野中郁次郎將檢驗他們的模型表現(xiàn)如何，并據(jù)此進行調(diào)整。

野中郁次郎和Yao強調(diào)，如果沒有伯克利大學各部門的密切合作，如此精細地模擬這項技術是不可能的。從AMCR到QSA，從AQT到NERSC，各部門不僅提供了計算能力，還貢獻了專業(yè)人員的專業(yè)知識，為模擬提供了支持。QSA主任伯特·德容表示，這種合作已為科學進步帶來了重要成果。“這項前所未有的模擬得益于科學家和工程師之間的廣泛合作，是加速量子硬件設計和開發(fā)的關鍵一步，”他說道，“更強大、性能更高的量子芯片將為研究人員解鎖新的能力，并開辟科學的新途徑?！?/p>

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