Суперкомпютър създаде квантов чип с безпрецедентни подробности

Моделирането на квантови чипове дава възможност на изследователите да разберат техните функции и да идентифицират потенциалните проблеми преди тяхното производство. Членовете на проекта Quantum Systems Accelerator (QSA) разработват електромагнитни модели за симулиране на тези чипове. Те проведоха първата по рода си симулация на квантов микрочип, като използваха повече от 7000 графични процесора Nvidia от суперкомпютъра Perlmutter на Националния център за научни изследвания в областта на енергетиката.

Моделирането на най-малките детайли на изключително сложен квантов микрочип, проектиран с ексфлопсния инструмент Artemis, изискваше практически целия капацитет на суперкомпютъра Perlmutter. Изследователите на проекта QSA – учени от Националната лаборатория „Лорънс Бъркли“ и Калифорнийския държавен университет. Националната лаборатория „Лорънс Бъркли“ и Калифорнийския университет, използваха почти всичките 7168 графични процесора на Nvidia в рамките на 24 часа, за да опишат структурата и работата на многослоен чип с площ само 10 квадратни милиметра и дебелина 0,3 мм, с ширина на гравюрата само един микрон.

„Дискретизирахме чипа на 11 милиарда решетъчни секции. Успяхме да изпълним над един милион тактови цикъла за седем часа, което ни позволи да оценим три конфигурации на схеми на Perlmutter за един ден. Подобно моделиране не би било възможно за толкова кратко време, ако не използвахме цялата система“, казва Анди Нонака, един от изследователите. – Изчислителният модел предвижда как решенията за проектиране влияят върху разпространението на електромагнитните вълни в чипа – казва още Нонака, – за да се гарантира, че сигналите взаимодействат правилно и се избягват нежелани пресичания“.

Подобно ниво на детайлност прави тази симулация уникална. Използването на графичните процесори на Perlmutter даде на учените изчислителната мощ, от която се нуждаеха, за да проучат физическите детайли и да демонстрират как работи механизмът на чипа.

„Ние правим пълно вълново моделиране на физическо ниво, което означава, че ни интересува материалът, използван в чипа, как е монтиран, как са свързани металните проводници – ниобий или друг метал – как са изградени резонаторите, техният размер, форма и материал“, казва Яо Джи, колега на Нонака. – Тези физически детайли са важни за нас и ние ги включваме в нашия модел.“

В допълнение към осигуряването на подробно представяне на чипа, моделът симулира взаимодействието на кубитите един с друг и с други части на квантовата схема. Комбинацията от тези качества – физически дизайн на чипа и възможност за моделиране в реално време – също е важна отличителна черта на проекта. Всичко това заедно открива уникални възможности пред изследователите, пише Phys.

Занапред екипът планира да проведе още симулации, за да разбере по-добре дизайна на квантовите схеми и да види как те функционират като част от по-големи системи. „Бихме искали да видим как кубитът резонира с останалата част от веригата. В честотната област бихме искали да го сравним с други симулации в честотната област, за да получим по-голяма увереност, че в квантово отношение моделът е правилен“, казва Яо.