Simulato un microchip quantistico con oltre 7.000 GPU: ecco perché è una svolta epocale

Un importante avanzamento nella progettazione dell'hardware quantistico arriva da una collaborazione tra Lawrence Berkeley National Laboratory e University of California, Berkeley. Il team ha realizzato una simulazione fisica estremamente dettagliata di un microchip quantistico, utilizzando praticamente l'intera potenza di calcolo del supercomputer Perlmutter, parte dell'infrastruttura NERSC del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

La simulazione ha sfruttato oltre 7.000 GPU NVIDIA, portando Perlmutter vicino al carico massimo operativo. L'obiettivo era modellare con precisione un chip di appena 10x10 mm, spesso 0,3 mm e caratterizzato da incisioni nell'ordine del micron.

"Non conosco nessuno che abbia mai realizzato modelli fisici di circuiti microelettronici sulla scala completa di un sistema Perlmutter. Stavamo utilizzando quasi 7.000 GPU", ha affermato il ricercatore Andy Nonaka.

"Abbiamo discretizzato il chip in 11 miliardi di celle griglia. Siamo riusciti a eseguire oltre un milione di intervalli temporali in sette ore, il che ci ha permesso di valutare tre configurazioni di circuito in un solo giorno su Perlmutter. Queste simulazioni non sarebbero state possibili in questo lasso di tempo senza il sistema completo".

Il lavoro è stato condotto utilizzando ARTEMIS, uno strumento di modellazione elettromagnetica sviluppato nell'ambito dell'Exascale Computing Project del DOE. ARTEMIS consente una simulazione "full-wave" che tiene conto della natura dei materiali, della geometria del chip, delle linee metalliche - come quelle in niobio - e del comportamento dei risonatori. Il modello non solo descrive la struttura fisica, ma replica le interazioni dinamiche tra i qubit e gli altri elementi del circuito, permettendo di analizzare fenomeni come accoppiamento dei segnali, propagazione delle onde elettromagnetiche e crosstalk indesiderati.

Per il NERSC, l'operazione è stata una delle più impegnative mai eseguite nel campo della ricerca quantistica. La ricercatrice Katie Klymko ha sottolineato come la simulazione abbia esplorato dettagli distribuiti su più di quattro ordini di grandezza, un requisito cruciale per comprendere a fondo il comportamento dei dispositivi quantistici di nuova generazione.

Il prossimo obiettivo sarà confrontare i risultati numerici con un chip fisico non appena la fabbricazione sarà completata. Questo confronto permetterà di validare ulteriormente il modello, perfezionare gli strumenti di simulazione e accelerare lo sviluppo di hardware quantistico più potente, riducendo i rischi e i costi legati alle fasi di prototipazione.

Secondo Bert de Jong, direttore del Quantum Systems Accelerator, questa simulazione rappresenta un passo chiave verso microchip quantistici più performanti, in grado di sostenere le future applicazioni scientifiche e industriali del calcolo quantistico.