Forschende des Lawrence Berkeley National Laboratory und der University of California, Berkeley, haben den Perlmutter-Supercomputer am National Energy Research Center for Scientific Computing genutzt, um eine beispiellos komplexe Simulation eines Quantenmikrochips durchzuführen. Die Simulation, die über 7.000 NVIDIA-GPUs einsetzte, simulierte die Funktionsweise eines nur 10 Millimeter großen und 0,3 Millimeter dicken Mikrochips auf physikalischer Ebene. Ziel von Quantenchip-Simulationen ist es, die Funktionalität und Leistung eines Chips vor der Fertigung zu verstehen, um sicherzustellen, dass er wie erwartet funktioniert und potenzielle Probleme zu identifizieren.

Das Forschungsteam entwickelte ein elektromagnetisches Modell und modellierte und optimierte den Chip mithilfe des Exascale-Modellierungstools ARTEMIS. Der Chip wurde in Zusammenarbeit zwischen dem Quantum Nanoelectronics Laboratory der UC Berkeley und dem Advanced Quantum Testbed der Universität Berkeley entwickelt. „Das Rechenmodell prognostiziert, wie sich Designentscheidungen auf die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen innerhalb des Chips auswirken“, erklärte Projektforscher Ikujiro Nonaka, „um eine optimale Signalkopplung zu gewährleisten und Übersprechen zu vermeiden.“ Während der Simulation diskretisierte das Team den Chip in elf Milliarden Gitterzellen und führte über eine Million Zeitschritte in sieben Stunden durch, um drei Schaltungskonfigurationen zu evaluieren.

Professor Yao betonte, dass dieser Ansatz, der physikalisches Design mit Echtzeitsimulationen kombiniert, entscheidend sei, da er nichtlineares Verhalten berücksichtige und einzigartige Möglichkeiten biete. Die Simulationen beobachten nicht nur die physikalischen Details des Chips, sondern simulieren auch die Kommunikation der Qubits untereinander und mit anderen Teilen der Schaltung. Dadurch wird ein quantitatives Verständnis für das Design von Quantenchips ermöglicht. Als Nächstes plant das Team weitere Simulationen, um die Rolle des Chips in größeren Systemen zu verstehen und die Simulationsergebnisse mit der Realität zu vergleichen, um die Genauigkeit des Modells zu überprüfen. Ikujiro Nonaka und Professor Yao hoben hervor, dass solch detaillierte Simulationen von der engen Zusammenarbeit verschiedener Abteilungen in Berkeley profitierten. Jede Abteilung trug mit Rechenleistung und Fachwissen zur Simulationsarbeit bei.