7000个GPU往时所未有的细节模拟量子微芯片。

应用Perlmutter 超等计议机，计划东谈主员终昭彰量子微芯片的创记录鸿沟模拟，以考订和考证下一代量子硬件假想。

劳伦斯伯克利国度实验室（伯克利实验室）和加州大学伯克利分校的计划东谈主员完成了迄今为止在量子微芯片上进行的最瞩主义模拟之一。该项盘算志着在考订量子时刻所需硬件方面获取了关键进展。

科学家们应用好意思国动力部超等计议机上的数千个GPU，往时所未有的物理细节模拟了量子微芯片。开首：Shutterstock

为了完成这项使命，该团队依靠了位于好意思国动力部(DOE) 用户圭臬——国度动力计划科学计议中心 (NERSC) 的 Perlmutter 超等计议机上运转的 7000 多个 NVIDIA GPU。

在实质制造量子芯片之前对其进行模拟，不错让科学家评估其功能并赶早发现潜在的假想劣势。通过在造谣环境中测试性能，计划东谈主员不错提升可靠性并减少老本昂贵的制造迭代。伯克利实验室应用数学与计议计划部(AMCR) 的 Zhi Jackie Yao和野中郁次郎均附庸于量子系统加快器 (QSA)，他们确立了先进的电磁模子来分析这些芯片的运搬动制，这是构建更庞大的量子硬件的要道一步。

“该计议模子量度假想有盘算奈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归并幸免无用要的串扰。”

在这个面孔中，团队应用其百亿亿次级建模平台ARTEMIS，对一款芯片进行了模拟和考订。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先进量子测试平台（AQT）合营确立的。Yao将在高性能计议、集会、存储和分析国外会议（SC25）上展示关联时刻效果。

一个计划团队应用珀尔穆特超等计议机的7168个NVIDIA GPU，在24小时内险些全部运转，得胜融会了一块多层芯片的结构和功能。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。开首：Yao/伯克利实验室

制造量子芯片需要将纯属的微波工程时刻与超低温量子物理的条款相汇注。恰是由于这种经典与量子身分的和会，领先在好意思国动力部百亿亿次级计议面孔规划下确立的ARTEMIS模子，为模拟这些器件里面复杂的电磁行径提供了一个灵验的框架。

针对小型芯片的大型模拟

并非通盘量子芯片模拟王人需要如斯庞大的计议才调，但对这款极其轻细且结构极其复杂的芯片进行建模，险些徒然了Perlmutter超等计议机的全部算力。计划东谈主员在24小时内险些用尽了其7168个NVIDIA GPU，才得以捕捉到这款尺寸仅为10毫米见方、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功能。

微芯片的计议机生成蚀刻图

“据我所知，此前还莫得东谈主使用圆善的Perlmutter系统鸿沟进行过微电子电路的物理建模。咱们那时使用了近7000个GPU，”野中郁次郎说谈。“咱们将芯片冲破化为110亿个网格单位。咱们粗略在7小时内运转卓越100万个时辰步，这使得咱们粗略在Perlmutter系统上一天之内评估三种电路树立。淌若莫得圆善的系统，这些模拟在如斯短的时辰内是不成能完成的。”

恰是这种精良进度使得这项模拟独树一帜。其他模拟由于建模才调的戒指，时时将芯片视为“黑盒”，而使用Perlmutter的大鸿沟并行GPU，则为Yao和野中郁次郎提供了庞大的计议才调，使他们粗略深远计划物理细节，并展示芯片的使命旨趣。

Yao说：“咱们进行的是全波物理级仿真，这意味着咱们原宥芯片上使用的材料、芯片的布局、金属导线（铌或其他金属导线）的布线式样、谐振器的构建式样、尺寸、格式以及所用材料。咱们原宥这些物理细节，并将它们纳入咱们的模子中。”

除了对芯片进行精良的不雅察外，该模拟还模拟了实验室实验的体验——量子比特奈何相互通讯以及奈何与量子电路的其他部分通讯。

Yao默示，恰是这些特色的汇注——既戒备芯片的物理假想，开云app在线体育又具备及时仿真才调——使得该仿真时刻独树一帜：“这种汇注至关关键，因为咱们使用了偏微分方程和麦克斯韦方程，而且在时域中进行计议，从而粗略接头非线性行径。通盘这些身分加在悉数，使咱们领有了惟一无二的才调。”

NERSC通过“珀尔穆特量子信息科学规划”支撑了许巨额子信息科学面孔，该规划为有远景的量子面孔提供珀尔穆特天文台主任解放主宰储备时辰。尽管如斯，使命主谈主员默示，不停如斯大鸿沟的模拟仍然是一项令东谈主欢乐的挑战。

“这项使命是迄今为止在珀尔穆特超等计议机上最唯利是图的量子面孔之一，它应用 ARTEMIS 和 NERSC 的计议才调，捕捉卓越四个数目级的量子硬件细节，”参与该面孔的NERSC量子计议工程师 Katie Klymko 说。

模拟下一步

接下来，该团队规划进行更多模拟，以加强对芯片假想的定量和会，并了解它如安在更大的系统中阐明作用。

Yao说：“咱们但愿进行更定量的模拟，以便进行后不停并量化系统的频谱行径。咱们念念望望量子比特奈何与电路的其余部分共振。在频域方面，咱们但愿将其与其他频域模拟进行相比，从而更有信心性考证模拟扫尾的定量准确性。”

最终，模拟扫尾将承袭终极教训：与履行寰宇进行相比。当芯片制造完成并流程全面测试后，姚和野中郁次郎将查考他们的模子阐发奈何，并据此进行调遣。

野中郁次郎和Yao强调，淌若莫得伯克利大学各部门的密切合营，如斯精良地模拟这项时刻是不成能的。从AMCR到QSA，从AQT到NERSC，各部门不仅提供了计议才调，还孝顺了专科东谈主员的专科常识，为模拟提供了支撑。QSA主任伯特·德容默示，这种合营已为科学越过带来了关键效果。“这项前所未有的模拟成绩于科学家和工程师之间的往常合营，是加快量子硬件假想和确立的要道一步，”他说谈，“更庞大、性能更高的量子芯片将为计划东谈主员解锁新的才调，并开拓科学的新阶梯。”

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