Een brede groep onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en de Universiteit van Californië, Berkeley, heeft samengewerkt aan een ongekende simulatie van een kwantummicrochip. Dit vormt een belangrijke stap in het perfectioneren van de chips die nodig zijn voor deze technologie van de volgende generatie. De simulatie maakte gebruik van meer dan 7.000 NVIDIA GPU’s op de Perlmutter supercomputer van het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC).
Het modelleren van kwantumchips stelt onderzoekers in staat om hun functie en prestaties te begrijpen voordat ze worden gefabriceerd. Dit zorgt ervoor dat ze werken zoals bedoeld en helpt bij het opsporen van mogelijke problemen. Onderzoekers Zhi Jackie Yao en Andy Nonaka van de Applied Mathematics and Computational Research (AMCR) Divisie van Berkeley Lab ontwikkelen electromagnetische modellen om deze chips te simuleren, wat een cruciale stap is in het proces van het produceren van betere kwantumhardware.
“Het computermodel voorspelt hoe ontwerpbeslissingen de elektromagnetische golfverspreiding in de chip beïnvloeden,” aldus Nonaka. “Dit zorgt ervoor dat de juiste signaalkoppeling plaatsvindt en voorkomt ongewenste crosstalk.”
Hun exascale modelleringstool, ARTEMIS, werd gebruikt om een chip te modelleren en te optimaliseren, ontworpen in samenwerking met het Quantum Nanoelectronics Laboratory van Irfan Siddiqi aan de Universiteit van Californië, Berkeley. Dit werk zal worden gepresenteerd in een technische demonstratie door Yao op de Internationale Conferentie voor High Performance Computing, Networking, Storage, en Analyse.
Het ontwerpen van kwantumchips combineert traditionele microgolftechniek met geavanceerde lage-temperatuurfysica. Hierdoor is een klassiek elektromagnetisch modelleringstool zoals ARTEMIS, dat deel uitmaakt van het Exascale Computing Project-initiatief van het DOE, een logische keuze voor dit type modellering.
Een grote simulatie voor een kleine chip vereist enorme computermiddelen. Het modelleren van de minuscule details van deze complexe chip vereiste bijna alle vermogenscapaciteit van Perlmutter. De onderzoekers gebruikten bijna alle 7.168 NVIDIA GPU’s gedurende 24 uur om de structuur en functie van een meerlagige chip van slechts 10 millimeter vierkant en 0,3 millimeter dun vast te leggen.
“Ik ben niet bekend met iemand die ooit fysiek modellering van micro-elektronische circuits op volle Perlmutter-systeem schaal heeft gedaan. We gebruikten bijna 7.000 GPU’s,” zei Nonaka. “We hebben de chip gediscretiseerd in 11 miljard roostercellen. We konden meer dan een miljoen tijdstappen in zeven uur uitvoeren, wat ons in staat stelde om drie circuitconfiguraties binnen één dag op Perlmutter te evalueren. Deze simulaties zouden niet in deze tijdschaal mogelijk zijn geweest zonder het volledige systeem.”
Dit niveau van detail maakt deze simulatie uniek. Waar andere simulaties chips vaak als “zwarte dozen” behandelen vanwege beperkingen op de modelleercapaciteit, gaf het gebruik van Perlmutter’s massaal parallelle GPU’s Yao en Nonaka de mogelijkheid om in te gaan op de fysieke details.
Naast het gedetailleerde zicht op de chip, bootste de simulatie de ervaringen van experimenten in het laboratorium na—hoe qubits met elkaar communiceren en met andere delen van de kwantumcircuits.
De combinatie van deze kwaliteiten—de focus op het fysieke chipontwerp en de mogelijkheid om in real-time te simuleren—maakt de simulatie uniek. “De combinatie is essentieel, omdat we de partiële differentiaalvergelijking, Maxwell’s vergelijking, gebruiken en dit in het tijddomein doen zodat we niet-lineair gedrag kunnen integreren,” aldus Yao. “Dit alles voegt zich samen tot een unieke capaciteit.”
Het NERSC heeft veel projecten op het gebied van kwantuminformatiewetenschap ondersteund via het Quantum Information Science @ Perlmutter-programma, dat uren op Perlmutter toekent aan veelbelovende kwantumprojecten. Desondanks zeggen medewerkers dat het aanpakken van een simulatie van deze omvang een spannende uitdaging was.
De volgende stap van het team is om meer simulaties uit te voeren om hun kwantitatieve begrip van het chipontwerp te versterken en te zien hoe het functioneert als onderdeel van een groter systeem.
Uiteindelijk zal de simulatie de ultieme test ondergaan: vergelijking met de fysieke wereld. Wanneer de chip is gefabriceerd en getest, zullen Yao en Nonaka zien hoe hun model presteerde en waar nodig aanpassingen maken.
Nonaka en Yao benadrukten dat een succesvolle simulatie van deze technologie op dit niveau van detail niet mogelijk zou zijn geweest zonder sterke samenwerking binnen de Berkeley-gemeenschap. De samenwerking heeft belangrijke resultaten opgeleverd voor de vooruitgang van de wetenschap, zei QSA-directeur Bert de Jong. “Deze ongekende simulatie, mogelijk gemaakt door een brede samenwerking tussen wetenschappers en ingenieurs, is een cruciale stap vooruit in het versnellen van het ontwerp en de ontwikkeling van kwantumhardware,” voegde hij eraan toe.
