7000個(gè)GPU以前所未有的細(xì)節(jié)模擬量子微芯片。

利用Perlmutter 超級(jí)計(jì)算機(jī)，研究人員實(shí)現(xiàn)了量子微芯片的創(chuàng)紀(jì)錄規(guī)模模擬，以改進(jìn)和驗(yàn)證下一代量子硬件設(shè)計(jì)。

勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（伯克利實(shí)驗(yàn)室）和加州大學(xué)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(jìn)行的最詳細(xì)的模擬之一。該項(xiàng)目標(biāo)志著在改進(jìn)量子技術(shù)所需硬件方面取得了重要進(jìn)展。

科學(xué)家們利用美國能源部超級(jí)計(jì)算機(jī)上的數(shù)千個(gè)GPU，以前所未有的物理細(xì)節(jié)模擬了量子微芯片。來源：Shutterstock

為了完成這項(xiàng)工作，該團(tuán)隊(duì)依靠了位于美國能源部(DOE) 用戶設(shè)施——國家能源研究科學(xué)計(jì)算中心 (NERSC) 的 Perlmutter 超級(jí)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的 7000 多個(gè) NVIDIA GPU。

在實(shí)際制造量子芯片之前對(duì)其進(jìn)行模擬，可以讓科學(xué)家評(píng)估其功能并及早發(fā)現(xiàn)潛在的設(shè)計(jì)缺陷。通過在虛擬環(huán)境中測(cè)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(shí)驗(yàn)室應(yīng)用數(shù)學(xué)與計(jì)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(jìn)的電磁模型來分析這些芯片的運(yùn)行機(jī)制，這是構(gòu)建更強(qiáng)大的量子硬件的關(guān)鍵一步。

“該計(jì)算模型預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)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(hào)耦合并避免不必要的串?dāng)_。”

在這個(gè)項(xiàng)目中，團(tuán)隊(duì)利用其百億億次級(jí)建模平臺(tái)ARTEMIS，對(duì)一款芯片進(jìn)行了模擬和改進(jìn)。該芯片是由加州大學(xué)伯克利分校伊爾凡·西迪基（Irfan Siddiqi）的量子納米電子實(shí)驗(yàn)室與伯克利實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)量子測(cè)試平臺(tái)（AQT）合作開發(fā)的。Yao將在高性能計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)和分析國際會(huì)議（SC25）上展示相關(guān)技術(shù)成果。

一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)利用珀?duì)柲绿爻?jí)計(jì)算機(jī)的7168個(gè)NVIDIA GPU，在24小時(shí)內(nèi)幾乎全部運(yùn)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(zhǎng)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(shí)驗(yàn)室

制造量子芯片需要將成熟的微波工程技術(shù)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(jí)計(jì)算項(xiàng)目計(jì)劃下開發(fā)的ARTEMIS模型，為模擬這些器件內(nèi)部復(fù)雜的電磁行為提供了一個(gè)有效的框架。

針對(duì)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(qiáng)大的計(jì)算能力，但對(duì)這款極其微小且結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的芯片進(jìn)行建模，幾乎耗盡了Perlmutter超級(jí)計(jì)算機(jī)的全部算力。研究人員在24小時(shí)內(nèi)幾乎用盡了其7168個(gè)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(jì)算機(jī)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(jìn)行過微電子電路的物理建模。我們當(dāng)時(shí)使用了近7000個(gè)GPU，”野中郁次郎說道?！拔覀儗⑿酒x散化為110億個(gè)網(wǎng)格單元。我們能夠在7小時(shí)內(nèi)運(yùn)行超過100萬個(gè)時(shí)間步，這使得我們能夠在Perlmutter系統(tǒng)上一天之內(nèi)評(píng)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(shí)間內(nèi)是不可能完成的?！?/p>

正是這種精細(xì)程度使得這項(xiàng)模擬獨(dú)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(qiáng)大的計(jì)算能力，使他們能夠深入研究物理細(xì)節(jié)，并展示芯片的工作原理。

Yao說：“我們進(jìn)行的是全波物理級(jí)仿真，這意味著我們關(guān)注芯片上使用的材料、芯片的布局、金屬導(dǎo)線（鈮或其他金屬導(dǎo)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(guān)注這些物理細(xì)節(jié)，并將它們納入我們的模型中?！?/p>

除了對(duì)芯片進(jìn)行精細(xì)的觀察外，該模擬還模擬了實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)——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(shè)計(jì)，又具備實(shí)時(shí)仿真能力——使得該仿真技術(shù)獨(dú)樹一幟：“這種結(jié)合至關(guān)重要，因?yàn)槲覀兪褂昧似⒎址匠毯望溈怂鬼f方程，并且在時(shí)域中進(jìn)行計(jì)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(dú)一無二的能力。”

NERSC通過“珀?duì)柲绿亓孔有畔⒖茖W(xué)計(jì)劃”支持了許多量子信息科學(xué)項(xiàng)目，該計(jì)劃為有前景的量子項(xiàng)目提供珀?duì)柲绿靥煳呐_(tái)主任自由支配儲(chǔ)備時(shí)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(xiàng)令人興奮的挑戰(zhàn)。

“這項(xiàng)工作是迄今為止在珀?duì)柲绿爻?jí)計(jì)算機(jī)上最雄心勃勃的量子項(xiàng)目之一，它利用 ARTEMIS 和 NERSC 的計(jì)算能力，捕捉超過四個(gè)數(shù)量級(jí)的量子硬件細(xì)節(jié)，”參與該項(xiàng)目的NERSC量子計(jì)算工程師 Katie Klymko 說。

模擬下一步

接下來，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)行更多模擬，以加強(qiáng)對(duì)芯片設(shè)計(jì)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(jìn)行更定量的模擬，以便進(jìn)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(jìn)行比較，從而更有信心地驗(yàn)證模擬結(jié)果的定量準(zhǔn)確性?！?/p>

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

野中郁次郎和Yao強(qiáng)調(diào)，如果沒有伯克利大學(xué)各部門的密切合作，如此精細(xì)地模擬這項(xiàng)技術(shù)是不可能的。從AMCR到QSA，從AQT到NERSC，各部門不僅提供了計(jì)算能力，還貢獻(xiàn)了專業(yè)人員的專業(yè)知識(shí)，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(xué)進(jìn)步帶來了重要成果?！斑@項(xiàng)前所未有的模擬得益于科學(xué)家和工程師之間的廣泛合作，是加速量子硬件設(shè)計(jì)和開發(fā)的關(guān)鍵一步，”他說道，“更強(qiáng)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(xué)的新途徑?！?/p>

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