量子晶片的詳細電腦建模使科學家能夠在生產開始之前預測量子晶片的行為。這種方法可以幫助研究人員及早發現潛在的問題。並確認設計將如預期執行。在伯克利實驗室，應用數學和計算研究 (AMCR) 系的量子系統加速器 (QSA) 研究人員zhi Jackie Yao 和 Andy Nonaka 正在創建先進的電磁模型，以支援下一代量子硬體的開發。
野中說：“計算模型可以預測設計決策如何影響晶片中的電磁波傳播，以確保發生適當的訊號耦合併避免不必要的串擾。”
在進行這項工作時，團隊使用了 阿爾忒彌斯Yao 是一種用於模擬和調整量子晶片的百億億級建模工具，是由加州大學柏克萊分校 Irfan Siddiqi 的量子奈米電子實驗室和柏克萊實驗室的高級量子測試台 (AQT) 合作開發的。姚先生將在高效能運算、網路、儲存和分析國際會議 (SC25) 的技術演示中介紹這項研究。
量子晶片設計將微波工程元素與超低溫物理的複雜性結合。因此，最初在美國能源部百億億次運算計畫下開發的 ARTEMIS 等經典電磁模擬平台是研究這些系統的理想選擇。
大型超級電腦可以處理小型晶片。
儘管並非每次模擬都需要大量的計算資源，但該專案突破了極限。為了捕捉高度複雜晶片的小細節，團隊依靠 Perlmutter 超級電腦每天 24 小時幾乎滿載運轉。他們幾乎使用了全部 7,168 個 NVIDIA GPU 來創建直徑僅 10 毫米、厚度為 0.3 毫米的多層晶片，其特徵小至一微米。
「我不知道有人曾經在完整的 Perlmutter 系統層級上建立過微電子電路的實體模型。我們使用了近 7,000 個 GPU，」Nonaka 說。 「我們將晶片分成 110 億個網格單元。我們能夠在 7 小時內執行超過 100 萬個時間步。這使我們能夠在 Perlmutter 上在一天內評估三種電路配置。如果沒有完整的系統，這些模擬在這個時間範圍內是不可能的。”
這種精度水平使這項工作與眾不同。由於計算限制，許多模擬將晶片簡化為“黑盒子”。但是，透過存取數千個 GPU，研究人員可以模擬設備的實際物理結構和行為。
「我們進行了全光譜物理模擬。這意味著我們關心您在晶片上使用的材料。晶片佈局如何連接金屬鈮或其他金屬線諧振器是如何構建的，尺寸、形狀是什麼，使用什麼材料，」姚說。 “我們關注這些物理細節，並將其納入我們的模型中。”
除了結構細節之外，模擬還模擬了晶片在真實實驗中的行為。這包括量子位元如何彼此相互作用以及與電路的其餘部分如何相互作用。
即時捕捉量子行為
透過將詳細的物理建模與基於時間的模擬相結合，研究人員取得了非凡的成就。他們的方法在時域中使用麥克斯韋方程組。這使他們能夠考慮非線性效應並追蹤訊號如何演變。
這些特性的結合它側重於物理晶片設計和即時模擬能力。姚說，這就是這個模擬的獨特之處。這是因為我們使用偏微分方程、麥克斯韋方程組，並且我們在時域中進行計算，以便我們可以合併非線性行為。所有這些結合起來為我們帶來了獨特的能力。 」
該項目得到 NERSC 透過量子資訊科學 @ Perlmutter 計劃的支持，該計劃將計算時間分配給有前景的量子研究。即使在該計劃中，這種模擬也因其規模和野心而引人注目。
「這項工作是 Perlmutter 迄今為止最雄心勃勃的量子計畫之一。它利用 ARTEMIS 和 NERSC 的處理能力來捕獲超過四個數量級的量子硬體細節，」參與該計畫的 NERSC 量子電腦工程師 Katie Klymko 說道。
量子晶片建模的後續步驟
展望未來 該團隊計劃擴展模擬，以更準確地了解晶片及其在更大系統中的工作原理。
“我們想做更多的定量模擬。這樣我們以後就可以處理和量化系統的頻譜行為，”姚說，“我們想看看量子位元如何與電路的其餘部分共振。在頻域中，我們想將其與其他頻域模擬進行比較。這樣我們就更有信心，在定量方面模擬是正確的。”
這個模型最終將接受現實的檢驗。一旦晶片製造完成並進行實驗評估，研究人員將把結果與預測進行比較，並相應地調整模擬。
Yao 和 Nonaka 強調，這項成功是基於伯克利實驗室與 AMCR、QSA、AQT 和 NERSC 等合作夥伴之間的密切合作，這些合作夥伴提供了運算能力和技術專業知識。 QSA 總監 Bert de Jong 表示，這項努力是向前邁出的重要一步。
「透過科學家和工程師之間的廣泛合作，這種前所未有的模擬成為可能。這是加速量子硬體設計和開發的重要一步，」他說。 “更強大、更有效率的量子晶片將釋放新的能力。為研究人員開闢新的科學途徑”
