Une large association de chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et de l'Université de Californie à Berkeley ont collaboré pour réaliser une simulation sans précédent d'une micropuce quantique, une étape clé dans le perfectionnement des puces requises pour cette technologie de nouvelle génération. La simulation a utilisé plus de 7 000 GPU NVIDIA sur le supercalculateur Perlmutter du National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), une installation utilisateur du Département américain de l'énergie (DOE).
La modélisation des puces quantiques permet aux chercheurs de comprendre leur fonction et leurs performances avant leur fabrication, de s'assurer qu'elles fonctionnent comme prévu et de détecter tout problème qui pourrait survenir. Zhi Jackie Yao et Andy Nonaka, chercheurs de l'accélérateur de systèmes quantiques (QSA), de la division de mathématiques appliquées et de recherche informatique (AMCR) du Berkeley Lab, développent des modèles électromagnétiques pour simuler ces puces, une étape clé dans le processus de production d'un meilleur matériel quantique.
« Le modèle informatique prédit comment les décisions de conception affectent la propagation des ondes électromagnétiques dans la puce », a déclaré Nonaka, « pour garantir un couplage correct des signaux et éviter une diaphonie indésirable. »
Ici, ils ont utilisé leur outil de modélisation exascale, ARTEMIS, pour modéliser et optimiser une puce conçue en collaboration avec le laboratoire de nanoélectronique quantique d'Irfan Siddiqi à l'Université de Californie à Berkeley et l'Advanced Quantum Testbed (AQT) du Berkeley Lab. Ce travail sera présenté dans une démonstration technique réalisée par Yao lors de la Conférence internationale sur le calcul, les réseaux, le stockage et l'analyse haute performance (SC25).
La conception de puces quantiques intègre l’ingénierie micro-ondes traditionnelle en plus de la physique avancée à basse température. Cela fait d'un outil de modélisation électromagnétique classique comme ARTEMIS, développé dans le cadre de l'initiative Exascale Computing Project du DOE, un choix naturel pour ce type de modélisation.
Une grande simulation pour une petite puce
Toutes les simulations de puces quantiques ne nécessitent pas autant de capacité de calcul, mais la modélisation des moindres détails de cette puce minuscule et extrêmement complexe a nécessité presque toute la puissance de Perlmutter. Les chercheurs ont utilisé presque tous ses 7 168 GPU NVIDIA sur une période de 24 heures pour capturer la structure et la fonction d'une puce multicouche mesurant seulement 10 millimètres carrés et 0,3 millimètres d'épaisseur, avec des gravures d'un micron seulement de large.
« Je ne connais personne ayant déjà réalisé une modélisation physique de circuits microélectroniques à l'échelle complète du système Perlmutter. Nous utilisions près de 7 000 GPU », a déclaré Nonaka.
« Nous avons discrétisé la puce en 11 milliards de cellules de grille. Nous avons pu exécuter plus d'un million de pas de temps en sept heures, ce qui nous a permis d'évaluer trois configurations de circuits en une seule journée sur Perlmutter. Ces simulations n'auraient pas été possibles dans ce laps de temps sans le système complet. »
C'est ce niveau de détail qui rend cette simulation unique. Alors que d'autres simulations ont tendance à traiter les puces comme des « boîtes noires » en raison de contraintes de capacité de modélisation, l'utilisation des GPU massivement parallèles de Perlmutter a donné à Yao et Nonaka la puissance de calcul nécessaire pour se pencher sur les détails physiques et montrer le mécanisme de la puce à l'œuvre.
« Nous effectuons une simulation physique pleine onde, ce qui signifie que nous nous soucions du matériau que vous utilisez sur la puce, de la disposition de la puce, de la façon dont vous câblez le métal (le niobium ou tout autre type de fils métalliques), de la façon dont vous construisez les résonateurs, quelle est la taille, quelle est la forme, quel matériau vous utilisez », a déclaré Yao. « Nous nous soucions de ces détails physiques et nous les incluons dans notre modèle. »
En plus de sa vue fine de la puce, la simulation imite l’expérience des expériences en laboratoire : comment les qubits communiquent entre eux et avec d’autres parties du circuit quantique.
La combinaison de ces qualités – l'accent mis sur la conception physique de la puce et la capacité de simuler en temps réel – fait partie de ce qui rend la simulation unique, a déclaré Yao : « La combinaison est instrumentale, car nous utilisons l'équation aux dérivées partielles, l'équation de Maxwell, et nous le faisons dans le domaine temporel afin de pouvoir incorporer un comportement non linéaire.
Le NERSC a soutenu de nombreux projets de science de l'information quantique par le biais du programme Quantum Information Science @ Perlmutter, qui accorde des heures de réserve discrétionnaire du directeur sur Perlmutter à des projets quantiques prometteurs. Pourtant, le personnel affirme que s’attaquer à une simulation de cette taille était un défi passionnant.
« Cet effort se démarque comme l'un des projets quantiques les plus ambitieux sur Perlmutter à ce jour, utilisant les capacités informatiques d'ARTEMIS et du NERSC pour capturer les détails du matériel quantique sur plus de quatre ordres de grandeur », a déclaré Katie Klymko, ingénieure en informatique quantique du NERSC qui a travaillé sur le projet.
Modéliser la prochaine étape
Ensuite, l'équipe prévoit de réaliser davantage de simulations pour renforcer sa compréhension quantitative de la conception de la puce et voir comment elle fonctionne dans le cadre d'un système plus vaste.
« Nous aimerions faire une simulation plus quantitative afin de pouvoir effectuer un post-traitement et quantifier le comportement spectral du système », a déclaré Yao. « Nous aimerions voir comment le qubit résonne avec le reste du circuit. Dans le domaine fréquentiel, nous aimerions le comparer avec d'autres simulations dans le domaine fréquentiel pour nous donner une plus grande confiance dans le fait que, quantitativement, la simulation est correcte. »
A terme, la simulation passera l'épreuve ultime : la comparaison avec le monde physique. Lorsque la puce sera fabriquée et mise à l’épreuve, Yao et Nonaka verront comment leur modèle s’est mesuré et procéderont à des ajustements à partir de là.
Nonaka et Yao ont souligné qu'une simulation réussie de cette technologie à ce niveau de détail n'aurait pas été possible sans une forte collaboration au sein de la communauté de Berkeley, de l'AMCR à QSA et de l'AQT au NERSC, qui a soutenu la simulation avec l'expertise du personnel en plus de la puissance de calcul. La collaboration a donné des résultats importants pour l'avancement de la science, a déclaré Bert de Jong, directeur de la QSA.
« Cette simulation sans précédent, rendue possible grâce à un large partenariat entre scientifiques et ingénieurs, constitue une étape cruciale pour accélérer la conception et le développement du matériel quantique », a-t-il déclaré. « Des puces quantiques plus puissantes et plus performantes débloqueront de nouvelles capacités pour les chercheurs et ouvriront de nouvelles voies scientifiques. »
