Cientistas usam 7.000 GPUs para simular minúsculos chips quânticos com detalhes extraordinários

“O modelo computacional prevê como as decisões de projeto afetam a propagação das ondas eletromagnéticas no chip”, disse Nonaka, “para garantir o acoplamento adequado do sinal e evitar interferências indesejadas”.

Para realizar este trabalho, a equipe de ARSEMIDAuma ferramenta de simulação em exaescala, para modelar e refinar um chip quântico desenvolvido por meio de uma colaboração entre o Laboratório de Nanoeletrônica Irfan Siddiqui Quantum da UC Berkeley e o Advanced Quantum Testbed (AQT) do Berkeley Lab. Yao apresentará esta pesquisa em uma demonstração técnica na Conferência Internacional sobre Computação, Rede, Armazenamento e Análise de Alto Desempenho (SC25).

O design do chip quântico combina elementos da tecnologia de micro-ondas com as complexidades da física em temperaturas extremamente baixas. Por causa disso, uma plataforma clássica de modelagem eletromagnética como a ARTEMIS, originalmente desenvolvida como parte do Projeto de Computação Exascale do Departamento de Energia, é adequada para estudar esses sistemas.

Um enorme supercomputador lida com um minúsculo chip

Embora nem toda simulação exija recursos computacionais extremos, este projeto ultrapassou os limites. Para capturar os detalhes do chip altamente complexo, a equipe contou com a potência quase total do supercomputador Perlmutter. Em 24 horas, eles usaram quase todas as 7.168 GPUs da NVIDIA para simular um chip multicamadas de apenas 10 milímetros de diâmetro e 0,3 milímetros de espessura, com recursos tão pequenos quanto um mícron.

“Não conheço ninguém que tenha feito uma simulação física de circuitos microeletrônicos em escala real do sistema Perlmutter. Usamos quase 7.000 GPUs”, disse Nonaka. “Discretizamos o chip em 11 bilhões de células de grade. Conseguimos executar mais de um milhão de passos de tempo em sete horas, o que nos permitiu avaliar três configurações de circuito em um dia em Perlmutter. Esta simulação não seria possível neste momento sem um sistema completo.”

Esse nível de precisão diferencia o trabalho. Muitas simulações simplificam os ICs como “caixas pretas” devido a limitações computacionais, mas o acesso a milhares de GPUs permitiu aos pesquisadores simular a estrutura física real e o comportamento do dispositivo.

“Estamos fazendo simulação de onda completa no nível físico, o que significa que nos preocupamos com o material que você usa para o chip, o layout do chip, como você liga o metal – nióbio ou outro tipo de fio de metal – como você constrói os ressonadores, que tamanho, formato, que material você usa”, disse Yao. “Nós nos preocupamos com esses detalhes físicos e os incluímos em nosso modelo.”

Além dos detalhes estruturais, a simulação também reproduz como o chip se comportaria em experimentos reais, incluindo como os qubits interagem entre si e com o restante do circuito.

Capturando comportamento quântico em tempo real

Ao combinar modelagem física detalhada com simulações baseadas no tempo, os pesquisadores alcançaram algo extraordinário. Sua abordagem usa as equações de Maxwell no domínio do tempo, permitindo-lhes levar em conta efeitos não lineares e acompanhar como os sinais evoluem.

A combinação dessas qualidades – a ênfase no design físico do chip e a capacidade de simular em tempo real – é parte do que tornou a simulação única, disse Yao: “A combinação é fundamental porque estamos usando uma equação diferencial parcial, a equação de Maxwell, e estamos fazendo isso no domínio do tempo para que possamos incluir comportamento não linear. Tudo isso nos dá uma capacidade única.”

O projeto foi apoiado pelo NERSC por meio do programa Quantum Information Science @ Perlmutter, que aloca tempo de computação para pesquisas quânticas promissoras. Mesmo dentro deste programa, esta simulação destacou-se pela sua escala e ambição.

“Este esforço se destaca como um dos projetos quânticos mais ambiciosos em Perlmutter até o momento, aproveitando o poder computacional do ARTEMIS e do NERSC para capturar mais de quatro ordens de magnitude de detalhes em hardware quântico”, disse Kathy Klimko, engenheira de computação quântica do NERSC que trabalhou no projeto.

Próximas etapas para simulação de chip quântico

Olhando para o futuro, a equipe planeja expandir suas simulações para obter uma melhor compreensão do chip e como ele funciona em sistemas maiores.

“Gostaríamos de fazer mais simulações quantitativas para que possamos fazer o pós-processamento e quantificar o comportamento espectral do sistema”, disse Yao. “Gostaríamos de ver como o qubit ressoa com o resto do circuito. No domínio da frequência, gostaríamos de compará-lo com outras simulações no domínio da frequência para nos dar mais confiança de que a simulação quantitativa está correta.”

Em última análise, o modelo será testado em relação à realidade. Depois que o chip é fabricado e avaliado experimentalmente, os pesquisadores comparam os resultados com suas previsões e refinam as simulações de acordo.

Yao e Nonaka enfatizaram que esta conquista dependeu de uma estreita colaboração entre o Berkeley Lab e seus parceiros, incluindo AMCR, QSA, AQT e NERSC, que fornecem poder computacional e conhecimento técnico. De acordo com o Diretor da QSA, Bert de Jong, estes esforços representam um importante passo em frente.

“Esta simulação sem precedentes, possibilitada por uma ampla parceria entre cientistas e engenheiros, é um passo importante na aceleração do design e desenvolvimento de hardware quântico”, disse ele. “Chips quânticos mais poderosos e eficientes abrirão novas oportunidades para pesquisadores e abrirão novos caminhos na ciência.”