Квантовые чипы — основа квантовых компьютеров будущего, которые смогут решать задачи, недоступные обычным компьютерам. Однако создание таких чипов — чрезвычайно сложный процесс. Моделирование позволяет специалистам понять, как будет работать чип еще до его изготовления, выявить возможные проблемы и оптимизировать конструкцию, что экономит время и ресурсы.
Именно для такого моделирования сотрудники Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и Калифорнийского университета в Беркли привлекли беспрецедентные возможности одного из самых мощных суперкомпьютеров в мире.
«Вычислительная модель предсказывает, как проектные решения влияют на распространение электромагнитных волн в чипе», — объясняет Энди Нонака из отдела прикладной математики и вычислительных исследований. «Это необходимо, чтобы обеспечить правильную передачу сигналов и избежать нежелательных помех».
Масштаб симуляции поражает воображение. Чип толщиной всего 0,3 миллиметра с элементами шириной в один микрон (тысячная доля миллиметра) был разделен на 11 миллиардов вычислительных ячеек. За семь часов суперкомпьютер выполнил более миллиона временных шагов моделирования, что позволило оценить три различные конфигурации схемы за один день.
«Я не знаю никого, кто когда-либо проводил физическое моделирование микроэлектронных схем в полном масштабе системы Perlmutter. Мы использовали почти 7000 графических процессоров», — говорит Нонака. «Эти симуляции были бы невозможны в такие сроки без использования всей системы».
Уникальность этого исследования — в его детализации. Обычно инженеры представляют микросхемы как «черный ящик», упрощая расчеты. Здесь же впервые удалось рассмотреть весь процесс на физическом уровне — с учетом используемых материалов, формы резонаторов и особенностей соединений. «Нас интересуют все детали — из чего сделаны провода, какой металл используется, каким образом создаются резонаторы. Мы включаем все это в модель», — говорит соавтор работы Чжи Джеки Яо.
Впервые моделирование микросхемы потребовало полный ресурс суперкомпьютера, и, по словам ученых, это стало беспрецедентным достижением. Подобные эксперименты помогут проектировать квантовые устройства точнее и быстрее, открывая путь к надежным квантовым процессорам, которые смогут работать не в лаборатории, а в реальных вычислительных центрах следующего поколения.
Ранее ученые создали квантовый чип будущего из тантала и кремния.
