Свет, сверхпроводники, уравнения Максвелла: суперкомпьютер из 7 168 GPU впервые смоделировал квантовую микросхему изнутри, целиком и сразу

Исследователи из Национальной лаборатории имени Лоуренса Беркли и Калифорнийского университета в Беркли провели одну из самых детальных физических симуляций квантовой микросхемы, которые когда-либо запускались на суперкомпьютерах. Для расчётов понадобилась почти вся вычислительная мощность системы Perlmutter, установленной в Национальном центре научных вычислений Министерства энергетики США. В течение суток комплекс работал на пределе возможностей: 7 168 графических процессоров NVIDIA обрабатывали модель, позволяя проследить структуру и поведение чипа, который станет ядром будущих квантовых процессов.

Такие вычислительные эксперименты важны, потому что позволяют заранее увидеть, как устройство поведёт себя при работе, и выявить участки, где возникает риск нарушений сигнальных режимов. Квантовые схемы чувствительны к мельчайшим ошибкам в геометрии дорожек, параметрах резонаторов и свойствах материалов. Точная симуляция помогает заранее определить участки, где электромагнитные волны будут отклоняться от ожидаемых траекторий, а также понять, как особенности отдельных элементов повлияют на устойчивость операций.

Модель строилась математиками из Quantum Systems Accelerator — Жи Джеки Яо и Энди Нонакой — с использованием инструмента ARTEMIS. Эта платформа сочетает методы электромагнитного анализа, расчёт отклика материалов и детализированное разбиение микроскопических структур. Исследование выполнялось для чипа, разработанного в лаборатории квантовой наноэлектроники Ифрана Сиддики. В работе участвовали инженеры испытательного центра Advanced Quantum Testbed, поэтому симуляция учитывала параметры, характерные для реальных криогенных установок.

Устройство подобного типа сочетает несколько физических областей. Конструкцию определяют особенности микроволнового диапазона, свойства сверхпроводников при низких температурах и взаимодействие резонаторов, формирующих сигнальные линии. ARTEMIS объединяет эти процессы в единую схему и позволяет анализировать чип целиком, а не как набор разрозненных узлов. Такой подход помогает проследить распространение колебаний в пространстве и во времени и понять, как распределяется энергия внутри устройства.

Чтобы описать поведение чипа размером 10 квадратных миллиметров и толщиной 0.3 миллиметра, инженерам пришлось разбить структуру на сетку из 11 миллиардов ячеек. В расчётах учтены проводящие дорожки, изолирующие слои и резонаторные элементы, задающие квантовые состояния. Для отслеживания динамики потребовалось более миллиона временных шагов, что за семь часов позволило изучить три варианта схемы и сравнить их характеристики. Такой масштаб объясняет, почему симуляции выполнялись на практически всем вычислительном комплексе Perlmutter. По словам разработчиков, ранее никто не моделировал микросхемы такой сложности на уровне полного суперкомпьютера.

ARTEMIS учитывает геометрию проводников, состав материалов, форму резонаторов и взаимодействия между ними. В отличие от систем, работающих как чёрный ящик, эта платформа опирается на физические уравнения непосредственно. Особенно важны расчёты электромагнитных процессов во времени, потому что такая методика позволяет учитывать нелинейные эффекты, возникающие при работе сверхпроводящих контуров и взаимодействии квазичастиц. Благодаря этому симуляция отражает процессы, которые проявляются только при реальной работе устройства.

Модель включала поведение квантовых элементов, их взаимодействие друг с другом и связь с внешними цепями. Такой уровень детализации необходим, потому что изменение электромагнитной обстановки влияет на устойчивость квантовых состояний. Исследователи подчёркивают, что решение уравнений Максвелла в динамике помогает связать параметры, которые в упрощённых моделях анализируются раздельно.

По оценке специалистов NERSC, эта работа стала одной из самых сложных квантовых симуляций, когда-либо выполнявшихся на Perlmutter. Следующим шагом станет анализ частотных характеристик схемы и сопоставление результатов с поведением уже изготовленного образца. Команды из AMCR, QSA, AQT и NERSC отмечают, что объединённая работа ускоряет развитие квантовых технологий и расширяет экспериментальные возможности.