7000个GPU以前所未有的细节模拟量子微芯片。

利用Perlmutter 计机，研究人员实现了量子微芯片的创纪录规模模拟，以改进和验证下代量子硬件设计。

劳伦斯伯克利国实验室（伯克利实验室）和加州大学伯克利分校的研究人员完成了迄今为止在量子微芯片上进行的详细的模拟之。该项目标志着在改进量子技术所需硬件面取得了重要进展。

科学们利用美国能源部计机上的数千个GPU，以前所未有的物理细节模拟了量子微芯片。来源：Shutterstock

为了完成这项工作，该团队依靠了位于美国能源部(DOE) 用户设施——国能源研究科学计中心 (NERSC) 的 Perlmutter 计机上运行的 7000 多个 NVIDIA GPU。

在实际制造量子芯片之前对其进行模拟，可以让科学评估其并及早发现潜在的设计缺陷。通过在虚拟环境中测试能，研究人员可以提可靠并减少成本昂的制造迭代。伯克利实验室应用数学与计研究部(AMCR) 的 Zhi Jackie Yao和野中郁次郎均隶属于量子系统加速器 (QSA)，他们开发了的电磁模型来分析这些芯片的运行机制，这是构建强大的量子硬件的关键步。

“该计模型预测设计决策如何影响芯片中的电磁波传播，”野中郁次郎说，“以确保发生正确的信号耦并避不要的串扰。”

在这个项目中，团队利用其百亿亿次建模平台ARTEMIS，对款芯片进行了模拟和改进。该芯片是由加州大学伯克利分校伊尔凡·西迪基（Irfan Siddiqi）的量子纳米电子实验室与伯克利实验室的量子测试平台（AQT）作开发的。Yao将在能计、网络、存储和分析会议（SC25）上展示相关技术成果。

个研究团队利用珀尔穆特计机的7168个NVIDIA GPU，在24小时内几乎全部运行，成功解析了块多层芯片的结构和。这块芯片边长10毫米，厚度0.3毫米，蚀刻纹路宽度仅为1微米。来源：Yao/伯克利实验室

制造量子芯片需要将成熟的微波工程技术与低温量子物理的要求相结。正是由于这种经典与量子因素的融，初在美国能源部百亿亿次计项目计划下开发的ARTEMIS模型，为模拟这些器件内部复杂的电磁行为提供了个有的框架。

针对微型芯片的大型模拟

并非所有量子芯片模拟都需要如此强大的计能力，但对这款其微小且结构其复杂的芯片进行建模，几乎耗尽了Perlmutter计机的全部力。研究人员在24小时内几乎用尽了其7168个NVIDIA GPU，才得以捕捉到这款尺寸仅为10毫米见、厚度仅为0.3毫米、蚀刻宽度仅为1微米的多层芯片的结构和。

微芯片的计机生成蚀刻图

“据我所知，此前还没有人使用完整的Perlmutter系统规模进行过微电子电路的物理建模。我们当时使用了近7000个GPU，”野中郁次郎说道。“我们将芯片离散化为110亿个网格单元。我们能够在7小时内运行过100万个时间步，这使得我们能够在Perlmutter系统上天之内评估三种电路配置。如果没有完整的系统，这些模拟在如此短的时间内是不可能完成的。”

正是这种精细程度使得这项模拟树帜。其他模拟由于建模能力的限制，往往将芯片视为“黑盒”，而使用Perlmutter的大规模并行GPU，则为Yao和野中郁次郎提供了强大的计能力，使他们能够入研究物理细节，并展示芯片的工作原理。

Yao说：“我们进行的是全波物理仿真，这意味着我们关注芯片上使用的材料、芯片的布局、金属线（铌或其他金属线）的布线式、谐振器的构建式、尺寸、形状以及所用材料。我们关注这些物理细节，并将它们纳入我们的模型中。”

除了对芯片进行精细的观察外，该模拟还模拟了实验室实验的体验——量子比特如何相互通信以及如何与量子电路的其他部分通信。

Yao表示，正是这些特质的结——既注重芯片的物理设计，又具备实时仿真能力——使得该仿真技术树帜：“这种结至关重要，保温护角专用胶因为我们使用了偏微分程和麦克斯韦程，并且在时域中进行计，从而能够考虑非线行为。所有这些因素加在起，使我们拥有了二的能力。”

NERSC通过“珀尔穆特量子信息科学计划”支持了许多量子信息科学项目，该计划为有前景的量子项目提供珀尔穆特天文台主任自由支配储备时间。尽管如此，工作人员表示，处理如此大规模的模拟仍然是项令人兴奋的挑战。

“这项工作是迄今为止在珀尔穆特计机上雄心勃勃的量子项目之，它利用 ARTEMIS 和 NERSC 的计能力，捕捉过四个数量的量子硬件细节，”参与该项目的NERSC量子计工程师 Katie Klymko 说。

模拟下步

接下来，该团队计划进行多模拟，以加强对芯片设计的定量理解，并了解它如何在大的系统中发挥作用。

Yao说：“我们希望进行定量的模拟，以便进行后处理并量化系统的频谱行为。我们想看看量子比特如何与电路的其余部分共振。在频域面，我们希望将其与其他频域模拟进行比较，从而有信心地验证模拟结果的定量准确。”

终，模拟结果将接受终考验：与现实世界进行比较。当芯片制造完成并经过测试后，姚和野中郁次郎将检验他们的模型表现如何，并据此进行调整。

野中郁次郎和Yao强调，如果没有伯克利大学各部门的密切作，如此精细地模拟这项技术是不可能的。从AMCR到QSA，从AQT到NERSC，各部门不仅提供了计能力，还贡献了业人员的业知识，为模拟提供了支持。QSA主任伯特·德容表示，这种作已为科学进步带来了重要成果。“这项前所未有的模拟得益于科学和工程师之间的广泛作，是加速量子硬件设计和开发的关键步，”他说道，“强大、能的量子芯片将为研究人员解锁新的能力，并开辟科学的新途径。”

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