Miért szimulálnak egy kvantumchipet?
A kvantumchipek modellezése lehetővé teszi, hogy a kutatók már a gyártás előtt feltérképezzék a chip működését és teljesítményét, így hamarabb felismerhetők a lehetséges hibák vagy tervezési problémák. Zhi Jackie Yao és Andy Nonaka, a Berkeley Laboratórium alkalmazott matematikai és számítástechnikai részlegének szakemberei elektromágneses modelleket dolgoztak ki, amelyek segítenek a kvantumhardverek továbbfejlesztésében. Az ARTEMIS nevű szoftvereszközükkel – az Exascale Computing Project keretében fejlesztették ki – képesek a tervezési döntések hatását felmérni az elektromágneses hullámok terjedésére, mérsékelve a nem kívánt jelenségeket, például az áthallást.
A legapróbb részletek is számítanak
A most modellezett kvantumchip egészen pontosan 10×10 milliméteres és mindössze 0,3 milliméter vastagságú, a rávésett minták pedig csupán 1 mikrométeresek. Ehhez részletes fizikai modellezés kellett: csaknem 11 milliárd rácspontba diszkretizálták a chipet, miközben a teljes Perlmutter szuperszámítógép közel összes – 7 168 – GPU-ját használták 24 órán át. Egyetlen nap alatt három áramköri konfigurációt tudtak végigtesztelni, több mint egymillió időlépést teljesítve hét órán belül – ilyen számítási kapacitással ezelőtt még senki nem modellezett mikroszkopikus chipáramkört ebben a részletességben.
A részletes fizikai szimuláció során olyan aprólékos paramétereket is figyelembe vettek, mint a felhasznált anyagok (például a nióbiumhuzalok), a rezonátorok mérete és alakja, valamint az áramkör topológiája. Az eredmény: a chip a valós világban tapasztalható viselkedését utánozták, legyen szó arról, hogyan kommunikálnak egymással a qubitek, vagy arról, mi történik a kvantumáramkör más részeivel.
Mérföldkő a kvantuminformatikában
Az ARTEMIS képes a Maxwell-egyenletek alapján, valós időben modellezni a hullámterjedést és a nemlineáris jelenségeket is. Ez különösen fontos, mert így a kvantumchipek viselkedését összevethetik a frekvenciatartományban végzett korábbi szimulációkkal, erősítve a számítások megbízhatóságát.
A NERSC már több ígéretes kvantuminformatikai projektet támogatott, de ehhez hasonló méretű feladatot eddig még egyik sem jelentett – a mostani munka a chiphardver részleteit négy nagyságrendet átfogó skálán fogta át. Az ilyen együttműködések minden résztvevő számára jelentős eredményeket jelentenek: a kutatók közösen tettek egy hatalmas lépést a kvantumchipek fejlesztésének gyorsítása felé.
Mi lesz ezután?
Később a csapat további szimulációkat tervez, hogy a chip tervezésének mennyiségi elemzését is elvégezze, valamint lássa, hogyan viselkedik az egész rendszer részeként. A következő lépés az lesz, hogy a valóságban is lemérik majd: amikor a chip fizikailag is elkészül, a mért adatokat összevetik a szimulációval, és szükség esetén finomítanak a modelleken. Ez azonban nem az egész történet – a mostani áttörés csak a kezdet annak, hogy a kutatók még pontosabb, teljesítményben is egyre erősebb kvantumchipeket készíthessenek, így új tudományos lehetőségeket nyitva meg a jövő számára.
