Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) и Калифорнийского университета в Беркли провели беспрецедентное моделирование квантового микрочипа. Это стало важным шагом вперёд в совершенствовании чипов, необходимых для технологий следующего поколения.
Моделирование проводилось на суперкомпьютере Perlmutter в Национальном энергетическом исследовательском вычислительном центре (NERSC) — объекте Министерства энергетики США (DOE). В работе было задействовано более 7 000 графических процессоров NVIDIA.
Моделирование квантовых чипов
Моделирование квантовых чипов позволяет исследователям понять их работу и производительность до изготовления. Это гарантирует, что чипы будут работать как задумано, и выявляет любые возможные проблемы.
Исследователи из группы Quantum Systems Accelerator (QSA) Чжи Джеки Яо и Энди Нонака из отдела прикладной математики и вычислительных исследований (AMCR) в Berkeley Lab разрабатывают электромагнитные модели для симуляции этих чипов.
«Вычислительная модель предсказывает, как проектные решения влияют на распространение электромагнитных волн в чипе», — сказал Нонака. «Это позволяет убедиться, что происходит правильное согласование сигналов, и избежать нежелательных перекрёстных помех».
Использование ARTEMIS
Для моделирования и оптимизации чипа, разработанного в сотрудничестве между лабораторией квантовой наноэлектроники Ирфана Сиддики в Калифорнийском университете в Беркли и передовой квантовой испытательной площадкой (AQT) в Berkeley Lab, исследователи использовали свой инструмент моделирования эксафлопсного уровня — ARTEMIS.
Эта работа будет представлена на технической демонстрации Яо на Международной конференции по высокопроизводительным вычислениям, сетям, хранению данных и анализу (SC25).
Особенности проектирования квантовых чипов
При проектировании квантовых чипов используются традиционные методы микроволновой инженерии в сочетании с передовой низкотемпературной физикой. Это делает классический инструмент электромагнитного моделирования, такой как ARTEMIS, естественным выбором для этого типа моделирования.
Не каждый квантовый чип требует такого объёма вычислительных мощностей для симуляции, но моделирование мельчайших деталей этого крошечного, чрезвычайно сложного чипа потребовало почти всей мощности Perlmutter.
«Я не знаю никого, кто когда-либо проводил физическое моделирование микроэлектронных схем в полном масштабе системы Perlmutter. Мы использовали почти 7 000 графических процессоров», — сказал Нонака.
Уникальность симуляции
Уровень детализации делает эту симуляцию уникальной. В то время как другие симуляции склонны рассматривать чипы как «чёрные ящики» из-за ограничений возможностей моделирования, использование массово-параллельных графических процессоров Perlmutter дало Яо и Нонаке вычислительную мощность, необходимую для детального изучения физических механизмов работы чипа.
«Мы проводим полноволновое физическое моделирование на уровне, то есть нас волнует, какой материал вы используете на чипе, расположение чипа, как вы проводите металл — ниобий или другой тип металлических проводов, как вы строите резонаторы, какой у них размер, форма и материал», — сказал Яо. «Мы заботимся об этих физических деталях и включаем их в нашу модель».
В дополнение к детальному рассмотрению конструкции чипа, симуляция имитировала опыт экспериментов в лаборатории — как кубиты взаимодействуют друг с другом и с другими частями квантовой схемы.
Сочетание этих качеств — ориентация на физическую конструкцию чипа и способность моделирования в реальном времени — является частью того, что делает симуляцию уникальной, сказал Яо.
Поддержка NERSC
NERSC поддержал множество проектов в области квантовой информатики через программу Quantum Information Science @ Perlmutter. Эта программа предоставляет часы по усмотрению директора на суперкомпьютере Perlmutter перспективным квантовым проектам.
«Эта работа выделяется как один из самых амбициозных квантовых проектов на Perlmutter на сегодняшний день, использующий ARTEMIS и вычислительные возможности NERSC для захвата деталей квантового оборудования более чем на четыре порядка величины», — сказала Кэти Климко, инженер по квантовым вычислениям NERSC, работавшая над проектом.
В дальнейшем команда планирует провести больше симуляций, чтобы укрепить своё количественное понимание конструкции чипа и увидеть, как он функционирует как часть более крупной системы.
computational model predicts how design decisions affect electromagnetic wave propagation in the chip,\» said Nonaka, \»to make sure proper signal coupling occurs and avoid unwanted crosstalk.\»»,»Here, they used their exascale modeling tool, ARTEMIS, to model and optimize a chip designed in a collaboration of Irfan Siddiqi’s Quantum Nanoelectronics Laboratory at the University of California, Berkeley, and Berkeley Lab’s Advanced Quantum Testbed (AQT). This work will be featured in a technical demonstration by Yao at the International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage, and Analysis (SC25).»,»Designing quantum chips incorporates traditional microwave engineering in addition to advanced low-temperature physics. This makes a classical electromagnetic modeling tool like ARTEMIS, which was developed as part of the DOE’s Exascale Computing Project initiative, a natural choice for this type of modeling.»,»Not every quantum chip simulation calls for so much computing capacity, but modeling the minuscule details of this tiny, extremely complex chip required nearly all of Perlmutter’s power. The researchers used almost all of its 7,168 NVIDIA GPUs over a period of 24 hours to capture the structure and function of a multi-layered chip measuring just 10 millimeters square and 0.3 millimeters thick, with etchings just one micron wide.»,»\»I’m not aware of anybody who’s ever done physical modeling of microelectronic circuits at full Perlmutter system scale. We were using nearly 7,000 GPUs,\» said Nonaka.»,»\»We discretized the chip into 11 billion grid cells. We were able to run over a million time steps in seven hours, which allowed us to evaluate three circuit configurations within a single day on Perlmutter. These simulations would not have been possible in this time frame without the full system.\»»,»It’s this level of detail that makes this simulation unique. Where other simulations tend to treat chips as \»black boxes\» due to constraints on modeling capability, using Perlmutter’s massively parallel GPUs gave Yao and Nonaka the compute power to lean into the physical details and show the chip’s mechanism at work.»,»\»We do full-wave physical-level simulation, meaning that we care about what material you use on the chip, the layout of the chip, how you wire the metal—the niobium or other type of metal wires—how you build the resonators, what’s the size, what’s the shape, what material you use,\» said Yao. \»We care about those physical details, and we include them in our model.\»»,»In addition to its fine-grained view of the chip, the simulation mimicked the experience of experiments in the lab—how qubits communicate with each other and with other parts of the quantum circuit.»,»Combining these qualities—a focus on the physical chip design and the ability to simulate in real time—is part of what made the simulation unique, said Yao: \»The combination is instrumental, because we use the partial differential equation, Maxwell’s equation, and we do it in the time domain so we can incorporate nonlinear behavior. All this adds up to give us one-of-a-kind capability.\»»,»NERSC has supported many quantum information science projects through the Quantum Information Science @ Perlmutter program, which grants Director’s Discretionary Reserve hours on Perlmutter to promising quantum projects. Still, staff say tackling a simulation of this size was an exciting challenge.»,»\»This effort stands out as one of the most ambitious quantum projects on Perlmutter to date, using ARTEMIS and NERSC’s computing capabilities to capture quantum hardware detail over more than four orders of magnitude,\» said Katie Klymko, a NERSC quantum computing engineer who worked on the project.»,»Next, the team plans to do more simulations to strengthen their quantitative understanding of the chip’s design and see how it functions as part of a larger system.»,»\»We’d like to do a more quantitative simulation so that we can do a post-process and quantify the spectral behavior of the system,\» said Yao. \»We’d like to see how the qubit is resonating with the rest of the circuit. In the frequency domain, we’d like to benchmark it with other frequency-domain simulations to give us greater confidence that, quantitatively, the simulation is correct.\»»,»Eventually, the simulation will take the ultimate test: comparison with the physical world. When the chip is fabricated and put through its paces, Yao and Nonaka will see how their model measured up and make adjustments from there.»,»Nonaka and Yao emphasized that a successful simulation of this technology at this level of detail would not have been possible without strong collaboration across the Berkeley community, from AMCR to QSA and AQT to NERSC, which supported the simulation with staff expertise in addition to compute power. The collaboration has yielded important results for the advancement of science, said QSA director Bert de Jong.»,»\»This unprecedented simulation, made possible by a broad partnership among scientists and engineers, is a critical step forward to accelerate the design and development of quantum hardware,\» he said. \»More powerful, more performant quantum chips will unlock new capabilities for researchers and open up new avenues in science.\»»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tLawrence Berkeley National Laboratory\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Quantum Physics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник