Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı (Berkeley Laboratuvarı) ve Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley’den geniş bir araştırmacı birliği, bu yeni nesil teknoloji için gereken çiplerin mükemmelleştirilmesinde önemli bir adım olan, kuantum mikroçipin benzeri görülmemiş bir simülasyonunu gerçekleştirmek için işbirliği yaptı. Simülasyon, ABD Enerji Bakanlığı’nın (DOE) bir kullanıcı tesisi olan Ulusal Enerji Araştırma Bilimsel Bilgi İşlem Merkezi’ndeki (NERSC) Perlmutter süper bilgisayarında 7.000’den fazla NVIDIA GPU kullandı.
Kuantum çiplerin modellenmesi, araştırmacıların bunların fonksiyonlarını ve performanslarını üretilmeden önce anlamalarına, amaçlandığı gibi çalıştıklarından emin olmalarına ve ortaya çıkabilecek sorunları tespit etmelerine olanak tanır. Berkeley Laboratuvarı’ndaki Uygulamalı Matematik ve Hesaplamalı Araştırma (AMCR) Bölümü’nden Kuantum Sistemleri Hızlandırıcı (QSA) araştırmacıları Zhi Jackie Yao ve Andy Nonaka, daha iyi kuantum donanımı üretme sürecinde önemli bir adım olan bu çipleri simüle etmek için elektromanyetik modeller geliştiriyor.
Nonaka, “Hesaplamalı model, tasarım kararlarının çipteki elektromanyetik dalga yayılımını nasıl etkilediğini tahmin ediyor” dedi ve “uygun sinyal eşleşmesinin gerçekleştiğinden emin olmak ve istenmeyen karışmayı önlemek için” dedi.
Burada, Berkeley’deki Kaliforniya Üniversitesi’ndeki İrfan Sıddıki’nin Kuantum Nanoelektronik Laboratuvarı ve Berkeley Laboratuvarı’nın Gelişmiş Kuantum Test Ortamı (AQT) işbirliğiyle tasarlanan bir çipi modellemek ve optimize etmek için exascale modelleme aracı ARTEMIS’i kullandılar. Bu çalışma, Uluslararası Yüksek Performanslı Bilgi İşlem, Ağ Oluşturma, Depolama ve Analiz Konferansı’nda (SC25) Yao’nun teknik gösterisinde yer alacak.
Kuantum çiplerinin tasarlanması, gelişmiş düşük sıcaklık fiziğinin yanı sıra geleneksel mikrodalga mühendisliğini de içerir. Bu, DOE’nin Exascale Computing Project girişiminin bir parçası olarak geliştirilen ARTEMIS gibi klasik bir elektromanyetik modelleme aracını, bu tür modelleme için doğal bir seçim haline getiriyor.
Küçük bir çip için büyük bir simülasyon
Her kuantum çip simülasyonu bu kadar fazla bilgi işlem kapasitesi gerektirmez, ancak bu küçük, son derece karmaşık çipin minicik ayrıntılarını modellemek, Perlmutter’ın gücünün neredeyse tamamını gerektiriyordu. Araştırmacılar, yalnızca 10 milimetre kare boyutunda ve 0,3 milimetre kalınlığında, yalnızca bir mikron genişliğinde gravürlerle çok katmanlı bir çipin yapısını ve işlevini yakalamak için 24 saatlik bir süre boyunca 7.168 NVIDIA GPU’nun neredeyse tamamını kullandı.
Nonaka, “Mikroelektronik devrelerin tam Perlmutter sistem ölçeğinde fiziksel modellemesini yapan hiç kimsenin farkında değilim. Yaklaşık 7.000 GPU kullanıyorduk” dedi.
“Çipi 11 milyar ızgara hücresine ayırdık. Yedi saat içinde bir milyonun üzerinde zaman adımını çalıştırmayı başardık, bu da Perlmutter’de tek bir gün içinde üç devre konfigürasyonunu değerlendirmemize olanak sağladı. Bu simülasyonlar, tam sistem olmadan bu zaman çerçevesinde mümkün olamazdı.”
Bu simülasyonu benzersiz kılan da bu düzeydeki ayrıntıdır. Diğer simülasyonlar, modelleme kapasitesindeki kısıtlamalar nedeniyle çipleri “kara kutular” olarak ele alırken, Perlmutter’in devasa paralel GPU’larını kullanmak, Yao ve Nonaka’ya fiziksel ayrıntılara eğilme ve çipin çalışma mekanizmasını gösterme konusunda bilgi işlem gücü verdi.
Yao, “Tam dalga fiziksel düzeyde simülasyon yapıyoruz; bu, çip üzerinde hangi malzemeyi kullandığınızı, çipin yerleşimini, metali nasıl bağladığınızı (niyobyum veya başka tür metal teller), rezonatörleri nasıl inşa ettiğinizi, boyutunun, şeklinin ne olduğunu, hangi malzemeyi kullandığınızı önemsediğimiz anlamına geliyor” dedi. “Bu fiziksel detayları önemsiyoruz ve bunları modelimize dahil ediyoruz.”
Çipin ayrıntılı görünümüne ek olarak simülasyon, laboratuvardaki deneylerin deneyimini (kübitlerin birbirleriyle ve kuantum devresinin diğer parçalarıyla nasıl iletişim kurduğunu) taklit etti.
Yao, bu niteliklerin (fiziksel çip tasarımına odaklanma ve gerçek zamanlı simülasyon yeteneği) birleştirilmesinin simülasyonu benzersiz kılan şeyin bir parçası olduğunu söyledi: “Kombinasyon etkili, çünkü kısmi diferansiyel denklemi, Maxwell denklemini kullanıyoruz ve bunu zaman alanında yapıyoruz, böylece doğrusal olmayan davranışı dahil edebiliriz. Tüm bunlar bize türünün tek örneği olan bir yetenek kazandırıyor.”
NERSC, umut verici kuantum projelerine Perlmutter’da Direktör İhtiyari Rezerv saatleri sağlayan Kuantum Bilgi Bilimi @ Perlmutter programı aracılığıyla birçok kuantum bilgi bilimi projesini desteklemiştir. Yine de personel, bu büyüklükte bir simülasyonla uğraşmanın heyecan verici bir zorluk olduğunu söylüyor.
Projede çalışan NERSC kuantum hesaplama mühendisi Katie Klymko şöyle konuştu: “Bu çaba, ARTEMIS ve NERSC’nin bilgi işlem yeteneklerini kullanarak dört kattan fazla büyüklük düzeyinde kuantum donanım ayrıntılarını yakalayan Perlmutter’de bugüne kadarki en iddialı kuantum projelerinden biri olarak öne çıkıyor.”
Bir sonraki adımı modelleme
Ekip daha sonra çipin tasarımına ilişkin niceliksel anlayışlarını güçlendirmek ve daha büyük bir sistemin parçası olarak nasıl çalıştığını görmek için daha fazla simülasyon yapmayı planlıyor.
Yao, “Daha niceliksel bir simülasyon yapmak istiyoruz, böylece bir işlem sonrası işlem gerçekleştirebilir ve sistemin spektral davranışını ölçebiliriz” dedi. “Kubitin devrenin geri kalanıyla nasıl rezonansa girdiğini görmek istiyoruz. Frekans alanında, simülasyonun niceliksel olarak doğru olduğuna dair bize daha fazla güven vermek için onu diğer frekans alanı simülasyonlarıyla karşılaştırmak istiyoruz.”
Sonunda simülasyon nihai sınava girecek: fiziksel dünyayla karşılaştırma. Çip üretilip test edildiğinde Yao ve Nonaka, modellerinin nasıl ölçüldüğünü görecek ve oradan ayarlamalar yapacak.
Nonaka ve Yao, bu teknolojinin bu ayrıntı düzeyinde başarılı bir simülasyonunun, AMCR’den QSA’ya ve AQT’den NERSC’ye kadar Berkeley topluluğu genelinde güçlü bir işbirliği olmadan mümkün olamayacağını vurguladı; bu işbirliği, simülasyonu bilgi işlem gücüne ek olarak personel uzmanlığıyla da destekledi. QSA direktörü Bert de Jong, işbirliğinin bilimin ilerlemesi için önemli sonuçlar verdiğini söyledi.
“Bilim adamları ve mühendisler arasındaki geniş bir ortaklığın mümkün kıldığı bu benzeri görülmemiş simülasyon, kuantum donanımının tasarımını ve geliştirilmesini hızlandırmak için ileriye doğru atılmış kritik bir adımdır” dedi. “Daha güçlü, daha performanslı kuantum çipleri araştırmacılar için yeni yeteneklerin kilidini açacak ve bilimde yeni yollar açacak.”
