پژوهشگران با ۷۰۰۰ پردازشگر گرافیکی انویدیا در ابررایانه پرلموتر، ریزتراشه کوانتومی را با جزئیاتی بیسابقه شبیهسازی کردند.
به گزارش سرویس سخت افزار تکناک، پژوهشگران آزمایشگاه ملی لارنس برکلی و دانشگاه کالیفرنیا در برکلی یکی از دقیقترین شبیهسازیهای انجامشده روی یک ریزتراشه کوانتومی را با موفقیت تکمیل کردند. این پروژه گامی مهم در بهینهسازی سختافزار مورد نیاز برای فناوریهای کوانتومی به حساب میآید.
تیم تحقیقاتی برای اجرای این پروژه بیش از ۷۰۰۰ پردازشگر گرافیکی انویدیا را روی ابررایانه پرلموتر در مرکز ملی محاسبات علمی تحقیقات انرژی وابسته به وزارت انرژی ایالات متحده به کار گرفت. پژوهشگران با این زیرساخت محاسباتی عظیم توانستند رفتار الکترومغناطیسی تراشه را پیش از ساخت فیزیکی آن بررسی کنند.
شبیهسازی تراشههای کوانتومی پیش از تولید فیزیکی به دانشمندان امکان میدهد عملکرد آنها را ارزیابی و نقصهای طراحی احتمالی را در مراحل اولیه شناسایی کنند. پژوهشگران با آزمون عملکرد در محیط مجازی، قابلیت اطمینان را افزایش و هزینه تکرارهای ساخت را کاهش میدهند. ژی جکی یائو و اندی نوناکا از بخش ریاضیات کاربردی و پژوهشهای محاسباتی، مدلهای پیشرفته الکترومغناطیسی را برای تحلیل رفتار این تراشهها توسعه میدهند تا مسیر ساخت سختافزار کوانتومی توانمندتر را هموار کنند.
مدل محاسباتی پیشبینی میکند که تصمیمهای طراحی چگونه بر انتشار امواج الکترومغناطیسی درون تراشه اثر میگذارد تا کوپلینگ صحیح سیگنال برقرار شود و از تداخل ناخواسته جلوگیری گردد.
تیم تحقیقاتی در این پروژه از پلتفرم مدلسازی مقیاس اگزاسکیل ARTEMIS استفاده کرد تا ریزتراشه کوانتومی را شبیهسازی و بهینهسازی کند که در همکاری میان آزمایشگاه نانوالکترونیک کوانتومی عرفان صدیقی و بستر پیشرفته آزمون کوانتومی توسعه یافته بود. یائو نتایج فنی این پژوهش را در کنفرانس بینالمللی محاسبات با کارایی بالا، شبکهسازی، ذخیرهسازی و تحلیل ارائه خواهد کرد.
ساخت تراشههای کوانتومی، ترکیبی از مهندسی مایکروویو کلاسیک و فیزیک کوانتومی در دماهای بسیار پایین را نیاز دارد. پلتفرم ARTEMIS که در قالب پروژه محاسبات اگزاسکیل وزارت انرژی توسعه یافت، چارچوبی مؤثر برای مدلسازی رفتار پیچیده الکترومغناطیسی این تجهیزات فراهم میکند.
مدلسازی این تراشه بسیار کوچک اما فوقالعاده پیچیده، تقریباً به کل توان پرلموتر نیاز داشت. پژوهشگران طی ۲۴ ساعت تقریباً از تمامی ۷۱۶۸ پردازشگر گرافیکی انویدیا استفاده کردند تا ساختار و عملکرد تراشهای چندلایه با ابعاد ۱۰ میلیمتر مربع و ضخامت ۰.۳ میلیمتر را با حکاکیهایی به عرض تنها یک میکرون بازسازی کنند.
پژوهشگران تراشه را به ۱۱ میلیارد سلول شبکهای گسسته تقسیم کردند و بیش از یک میلیون گام زمانی را طی هفت ساعت اجرا کردند. این توان محاسباتی، امکان ارزیابی سه پیکربندی مدار را در یک روز فراهم کرد؛ کاری که بدون استفاده از کل سامانه در این بازه زمانی ممکن نبود.
این شبیهسازی برخلاف روشهایی که تراشه را به دلیل محدودیتهای محاسباتی به صورت جعبه سیاه در نظر میگیرند، تمامی جزئیات فیزیکی را لحاظ کرد. پژوهشگران نوع ماده بهکاررفته، چیدمان تراشه، سیمکشی فلزاتی مانند نیوبیوم، ساخت رزوناتورها، اندازه، شکل و جنس مواد را در مدل خود وارد کردند.
شبیهسازی ریزتراشه کوانتومی علاوه بر ارائه تصویری دقیق از ساختار فیزیکی، شرایط آزمایشگاهی را نیز بازسازی کرد و نحوه ارتباط کیوبیتها با یکدیگر و با سایر بخشهای مدار کوانتومی را در حوزه زمان شبیهسازی کرد. پژوهشگران با حل معادلات دیفرانسیل جزئی ماکسول در حوزه زمان، رفتارهای غیرخطی را نیز در مدل لحاظ کردند.
مرکز NERSC از طریق برنامه «علوم اطلاعات کوانتومی در پرلموتر» از پروژههای متعدد این حوزه حمایت کرده است. مهندسان این مرکز اجرای چنین شبیهسازی عظیمی را یکی از جاهطلبانهترین پروژههای کوانتومی روی پرلموتر توصیف کردند.
تیم تحقیقاتی در گام بعدی شبیهسازیهای کمیتری را انجام خواهد داد تا رفتار طیفی سامانه را تحلیل و در حوزه فرکانس با سایر شبیهسازیها مقایسه کند. پژوهشگران در نهایت مدل را با نمونه فیزیکی تراشه مقایسه خواهند کرد تا دقت آن را ارزیابی و اصلاحهای لازم را اعمال کنند.
پژوهشگران، همکاری گسترده میان بخشهای مختلف جامعه علمی برکلی را عامل اصلی موفقیت این پروژه دانستند. این شبیهسازی بیسابقه مسیر طراحی و توسعه نسل بعدی سختافزار کوانتومی را تسریع میکند و زمینه را برای ساخت تراشههای قدرتمندتر و کارآمدتر فراهم میسازد.
