A criação de modelos computacionais detalhados de wafers quânticos pode ajudar os cientistas a prever seu comportamento antes do início da fabricação. Essa abordagem permite que os pesquisadores detectem problemas potenciais antecipadamente e confirmem que o projeto funcionará conforme planejado. No Berkeley Lab, os pesquisadores Jackie Yao e Andy Nonaka da Divisão de Matemática Aplicada e Pesquisa Computacional (AMCR) do Quantum Systems Accelerator (QSA) estão construindo simulações eletromagnéticas avançadas para apoiar o desenvolvimento de hardware quântico de próxima geração.
“Os modelos computacionais podem prever como as decisões de projeto afetam a propagação das ondas eletromagnéticas no chip para garantir que ocorra o acoplamento adequado do sinal e evitar interferências desnecessárias”, disse Nonaka.
Para fazer isso, a equipe usou Ártemisé uma ferramenta de modelagem exaescala usada para simular e refinar wafers quânticos desenvolvidos em colaboração com o Laboratório de Nanoeletrônica Quântica de Irfan Siddiqi na Universidade da Califórnia, Berkeley, e o Advanced Quantum Testbed (AQT) do Berkeley Lab. Yao apresentará a pesquisa em uma demonstração de tecnologia na Conferência Internacional sobre Computação, Rede, Armazenamento e Análise de Alto Desempenho (SC25).
Os designs de chips quânticos combinam elementos da engenharia de micro-ondas com a complexidade da física em temperaturas extremamente baixas. Portanto, plataformas clássicas de simulação eletromagnética como ARTEMIS (originalmente desenvolvidas no âmbito do Programa de Computação Exascale do Departamento de Energia dos EUA) são adequadas para estudar esses sistemas.
Grandes supercomputadores lidam com pequenos chips
Embora nem toda simulação exija recursos computacionais extremos, este projeto foi além. Para capturar os detalhes dos wafers altamente complexos, a equipe contou com quase todo o poder do supercomputador Perlmutter. Durante 24 horas, eles usaram quase todas as 7.168 GPUs NVIDIA para simular wafers multicamadas com apenas 10 milímetros de largura e 0,3 milímetros de espessura, com recursos tão pequenos quanto um mícron.
“Até onde eu sei, ninguém fez modelagem física completa de circuitos microeletrônicos em escala de sistema Perlmutter. Usamos quase 7.000 GPUs”, disse Nonaka. “Discretizamos o wafer em 11 bilhões de células de grade. Conseguimos executar mais de 1 milhão de intervalos de tempo em 7 horas, o que nos permitiu avaliar três configurações de circuito em Perlmutter em um dia. Essas simulações não teriam sido possíveis neste período de tempo sem o sistema completo.”
Este nível de precisão torna este trabalho único. Muitas simulações reduzem o wafer a uma “caixa preta” devido a limitações computacionais, mas o uso de milhares de GPUs permite aos pesquisadores modelar a estrutura física real e o comportamento do dispositivo.
“Fazemos simulações de onda completa em nível de física, o que significa que nos preocupamos com os materiais usados no wafer, o layout do wafer, como os fios metálicos (nióbio ou outros tipos de fios metálicos) são conectados, o tamanho, a forma e os materiais usados no ressonador”, disse Yao. “Nós nos preocupamos com esses detalhes físicos e os incorporamos em nossos modelos”.
Além dos detalhes estruturais, as simulações recriaram como o wafer se comportaria em experimentos reais, incluindo como os qubits interagiam entre si e com o restante do circuito.
Capturando comportamento quântico instantâneo
Ao combinar modelagem física detalhada com simulações baseadas no tempo, os pesquisadores alcançaram alguns resultados incomuns. Seu método usa as equações de Maxwell no domínio do tempo, permitindo-lhes levar em conta efeitos não lineares e rastrear como os sinais evoluem.
A combinação dessas qualidades – foco no design de chips físicos e recursos de simulação em tempo real – é parte do que torna a simulação única, disse Yao. “Essa combinação é útil porque usamos equações diferenciais parciais, equações de Maxwell, e fazemos os cálculos no domínio do tempo para que possamos incorporar o comportamento não linear. Tudo isso se soma para nos dar capacidades únicas.”
O projeto é apoiado pelo NERSC através da iniciativa Quantum Information Science@Perlmutter, que aloca tempo de computação para esforços promissores de pesquisa quântica. Mesmo dentro do programa, esta simulação destaca-se pela sua escala e ambição.
“Este trabalho é um dos projetos quânticos mais ambiciosos de Perlmutter até o momento, aproveitando o poder computacional do ARTEMIS e do NERSC para capturar mais de quatro ordens de magnitude a mais de detalhes de hardware quântico”, disse Katie Klymko, engenheira de computação quântica do NERSC envolvida no projeto.
Próximas etapas para modelagem quântica de chips
No futuro, a equipe planeja expandir suas simulações para compreender com mais precisão os wafers e seu desempenho em sistemas maiores.
“Queríamos realizar mais simulações quantitativas para que pudéssemos pós-processar e quantificar o comportamento espectral do sistema”, disse Yao. “Queremos entender como os qubits ressoam com o resto do circuito. No domínio da frequência, queremos compará-lo com outras simulações no domínio da frequência para nos dar mais confiança de que quantitativamente as simulações estão corretas.”
Eventualmente, o modelo será testado em relação à realidade. Depois que os wafers forem fabricados e avaliados experimentalmente, os pesquisadores compararão os resultados com suas previsões e refinarão 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 forneceram poder computacional e conhecimento técnico. O diretor da QSA, Bert de Jong, disse que o esforço representou um importante passo em frente.
“A extensa colaboração entre cientistas e engenheiros que torna possível esta simulação sem precedentes é um passo crítico na aceleração do design e desenvolvimento de hardware quântico”, disse ele. “Chips quânticos mais poderosos e de melhor desempenho irão desbloquear novas capacidades para os pesquisadores e abrir novos caminhos científicos.”
