全球首次，量子芯片被彻底算透

7000个GPU以前所未有的细节模拟量子微芯片。

利用Perlmutter 超级计算机，研究人员实现了量子微芯片的创纪录规模模拟，以改进和验证下一代量子硬件设计。

劳伦斯伯克利国家实验室（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最详细的模拟之一。该项目标志着在改进量子技术所需硬件方面取得了重要进展。

科学家们利用美国能源部超级计算机上的数千个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——国家能源研究科学计算中心 (NERSC) 的 Perlmutter 超级计算机上运行的 7000 多个 NVIDIA GPU。

在实际制造量子芯片之前对其进行模拟，可以让科学家评估其功能并及早发现潜在的设计缺陷。通过在虚拟环境中测试性能，研究人员可以提高可靠性并减少成本高昂的制造迭代。伯克利实验室应用数学与计算研究部(AMCR) 的 Zhi Jackie Yao和野中郁次郎均隶属于量子系统加速器 (QSA)，他们开发了先进的电磁模型来分析这些芯片的运行机制，这是构建更强大的量子硬件的关键一步。

“该计算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合并避免不必要的串扰。”

在这个项目中，团队利用其百亿亿次级建模平台ARTEMIS，对一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先进量子测试平台（AQT）合作开发的。Yao将在高性能计算、网络、存储和分析国际会议（SC25）上展示相关技术成果。

一个研究团队利用珀尔穆特超级计算机的7168个NVIDIA GPU，在24小时内几乎全部运行，成功解析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。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超低温量子物理的要求相结合。正是由于这种经典与量子因素的融合，最初在美国能源部百亿亿次级计算项目计划下开发的ARTEMIS模型，为模拟这些器件内部复杂的电磁行为提供了一个有效的框架。

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算能力，但对这款极其微小且结构极其复杂的芯片进行建模，几乎耗尽了Perlmutter超级计算机的全部算力。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。

微芯片的计算机生成蚀刻图

“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小时内运行超过100万个时间步，这使得我们能够在Perlmutter系统上一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独树一帜。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算能力，使他们能够深入研究物理细节，并展示芯片的工作原理。

Yao说：“我们进行的是全波物理级仿真，这意味着我们关注芯片上使用的材料、芯片的布局、金属导线（铌或其他金属导线）的布线方式、谐振器的构建方式、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，正是这些特质的结合——既注重芯片的物理设计，又具备实时仿真能力——使得该仿真技术独树一帜：“这种结合至关重要，因为我们使用了偏微分方程和麦克斯韦方程，并且在时域中进行计算，从而能够考虑非线性行为。所有这些因素加在一起，使我们拥有了独一无二的能力。”

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一项令人兴奋的挑战。

“这项工作是迄今为止在珀尔穆特超级计算机上最雄心勃勃的量子项目之一，它利用 ARTEMIS 和 NERSC 的计算能力，捕捉超过四个数量级的量子硬件细节，”参与该项目的NERSC量子计算工程师 Katie Klymko 说。

模拟下一步

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

Yao说：“我们希望进行更定量的模拟，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。在频域方面，我们希望将其与其他频域模拟进行比较，从而更有信心地验证模拟结果的定量准确性。”

最终，模拟结果将接受终极考验：与现实世界进行比较。当芯片制造完成并经过全面测试后，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合作，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算能力，还贡献了专业人员的专业知识，为模拟提供了支持。QSA主任伯特·德容表示，这种合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家和工程师之间的广泛合作，是加速量子硬件设计和开发的关键一步，”他说道，“更强大、性能更高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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