محققان آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (Berkeley Lab) و دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، موفق شدند برای نخستین بار شبیه‌سازی فیزیکی مقیاس کامل یک چیپ کوانتومی را با ۷۰۰۰ واحد پردازش گرافیکی انویدیای ابرکامپیوتر پرلموتر انجام دهند.
به گزارش سرویس فناوری تکناک، این پیشرفت چشمگیر در راستای تقویت طراحی و ساخت سخت‌افزارهای مورد نیاز برای کامپیوترهای کوانتومی آینده، گامی مهم به حساب می‌آید. برای این شبیه‌سازی بی‌سابقه، از ابرکامپیوتر پرلموتر در مرکز محاسبات علمی تحقیقاتی انرژی ملی (NERSC) استفاده شد، که یکی از قدرتمندترین ابرکامپیوترهای جهان است.
در این پروژه بیش از ۷۰۰۰ واحد پردازش گرافیکی (GPU) از برند انویدیا به کار گرفته شد، که تمام ظرفیت محاسباتی ابرکامپیوتر پرلموتر را برای مدت ۲۴ ساعت درگیر کرد. این شبیه‌سازی با هدف پیش‌بینی نحوه عملکرد چیپ‌های کوانتومی قبل از ساخت آنها به دانشمندان این امکان را می‌دهد تا مشکلات احتمالی در عملکرد کیوبیت‌ها (واحدهای اطلاعاتی کوانتومی) را شناسایی و از بروز خطاهای مضر جلوگیری کنند.
ژی جکی یائو و اندی نوناكا، محققان از آزمایشگاه ریاضیات کاربردی و تحقیقات محاسباتی Berkeley Lab، به‌عنوان مسئولان توسعه مدل‌های این شبیه‌سازی بودند. به گفته نوناكا، این شبیه‌سازی برای پیش‌بینی نحوه انتشار امواج الکترومغناطیسی در چیپ و اطمینان از جفت شدن صحیح سیگنال‌ها انجام شد تا از تداخل‌های ناخواسته جلوگیری شود. این مدل به مهندسان کمک می‌کند تا طراحی‌های خود را قبل از ساخت فیزیکی تست و عملکرد آنها را ارزیابی کنند.
در این پروژه، ابزار مدل‌سازی اکساسکیل ARTEMIS به کار گرفته شد، که برای پروژه محاسبات اکساسکیل وزارت انرژی ایالات متحده توسعه یافته است. ARTEMIS برای این نوع شبیه‌سازی‌های پیچیده که شامل چند مقیاس مختلف است، کاملاً مناسب می‌باشد. چیپ کوانتومی مورد نظر که تنها ۱۰ میلی‌متر مربع مساحت و ۰.۳ میلی‌متر ضخامت دارد، به دلیل پیچیدگی زیاد خود به مقدار قابل توجهی از قدرت محاسباتی نیاز داشت. این چیپ دارای الگوهایی است که تنها یک میکرون عرض دارند، به همین دلیل برای به تصویر کشیدن دقیق ساختار فیزیکی آن، تقریباً تمام ناوگان GPU پرلموتر به کار گرفته شد.
محققان تیم، این چیپ را به ۱۱ میلیارد سلول شبکه تقسیم کردند و بیش از یک میلیون مرحله زمانی را در مدت زمان هفت ساعت اجرا کردند. این سرعت به آنها امکان داد تا سه پیکربندی مختلف مدار را در یک روز آزمایش کنند.
شبیه‌سازی چیپ کوانتومی در مقیاس فیزیکی، برخلاف شبیه‌سازی‌های معمولی «جعبه سیاه»، شامل مدل‌سازی مواد سازنده، آرایش سیم‌کشی، هندسه رزوناتورها و تعاملات الکترومغناطیسی در سطح میکروسکوپی بود. به گفته یائو، این شبیه‌سازی شامل جزئیات فیزیکی دقیق بود و آنها تلاش کرده‌اند تا تمام ویژگی‌های فیزیکی چیپ را در مدل خود بگنجانند و به‌دقت رفتار آن را پیش‌بینی کنند.
یکی از ویژگی‌های منحصربه‌فرد این شبیه‌سازی، بازسازی رفتار آزمایشگاهی چیپ، از جمله نحوه تعامل کیوبیت‌ها با یکدیگر و با مدار گسترده‌تر در زمان واقعی است. این فرایند با حل معادلات ماکسول در دامنه زمان امکان‌پذیر شد و به‌طور مؤثری رفتار غیرخطی چیپ را مدل‌سازی کرد.
تیم مهندسی NERSC این پروژه را یکی از جاه‌طلبانه‌ترین شبیه‌سازی‌های کوانتومی توصیف کرده‌اند که تاکنون روی پرلموتر انجام شده است. تیم تحقیقاتی قصد دارد در گام بعدی، شبیه‌سازی‌های بیشتری انجام دهد، رفتار فرکانسی مدار را بررسی کند و نتایج این شبیه‌سازی‌ها را با یک چیپ فیزیکی که در آینده ساخته می‌شود، مقایسه کند.
نتایج این پروژه شبیه‌سازی نه‌تنها نشان‌دهنده توانایی‌های فناوری‌های محاسباتی پیشرفته است، بلکه نشان می‌دهد همکاری‌های بین آزمایشگاه‌ها و مؤسسات مختلف مانند: AMCR، QSA، AQT و NERSC به تسریع توسعه سخت‌افزار کوانتومی و کشف امکان‌های علمی جدید کمک می‌کند.
این پروژه به‌عنوان یک دستاورد مهم در زمینه شبیه‌سازی‌های کوانتومی به حساب می‌آید، که می‌تواند تأثیرات عمیقی بر آینده طراحی و ساخت کامپیوترهای کوانتومی بگذارد. محققان بر این باور هستند که این نوع شبیه‌سازی‌ها می‌توانند در تسریع فرایند توسعه سخت‌افزارهای کوانتومی و رفع چالش‌های پیچیده در مسیر دستیابی به ابرکامپیوترهای کوانتومی عملی نقش به‌سزایی ایفا کنند.
