Supercomputer simulates quantum chip in unprecedented detail |
An supercalculateur simule une puce quantique avec une précision inédite
Par Elizabeth Ball, Laboratoire national Lawrence Berkeley
Édité par Gaby Clark, relu par Robert Egan
Note de la rédaction
Une équipe de chercheurs a utilisé la quasi-totalité des 7 168 GPU NVIDIA du supercalculateur Perlmutter pendant 24 heures pour capturer la structure et le fonctionnement d'une puce multicouche. Cette puce mesure 10 millimètres carrés et 0,3 millimètre d'épaisseur, avec des gravures d'un micron seulement. Crédit : Zhi Jackie Yao/Berkeley Lab
Un vaste réseau de chercheurs du Laboratoire national Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) et de l'Université de Californie à Berkeley a collaboré pour réaliser une simulation inédite d'une micropuce quantique, une avancée majeure dans le perfectionnement des puces nécessaires à 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 infrastructure de calcul du Département de l'Énergie des États-Unis (DOE).
La modélisation des puces quantiques permet aux chercheurs de comprendre leur fonctionnement et leurs performances avant leur fabrication, garantissant ainsi leur bon fonctionnement et la détection d'éventuels problèmes. Zhi Jackie Yao et Andy Nonaka, chercheurs au sein du Quantum Systems Accelerator (QSA) et de la division Applied Mathematics and Computational Research (AMCR) du Berkeley Lab, développent des modèles électromagnétiques pour simuler ces puces, une étape cruciale dans le processus de production de matériel quantique plus performant.
« Le modèle de calcul prédit l'impact des choix de conception sur la propagation des ondes électromagnétiques dans la puce », explique Nonaka, « afin de garantir un couplage de signal optimal et d'éviter toute diaphonie indésirable. »
Ici, ils ont utilisé leur outil de modélisation exascale, ARTEMIS, pour modéliser et optimiser une puce conçue dans le cadre d'une collaboration entre le Laboratoire de nanoélectronique quantique d'Irfan Siddiqi à l'Université de Californie à Berkeley et le banc d'essai quantique avancé (AQT) du Berkeley Lab. Ces travaux seront présentés lors d'une démonstration technique par Yao à la Conférence internationale sur le calcul haute performance, les réseaux, le stockage et l'analyse (SC25).
La conception de puces quantiques intègre l'ingénierie micro-ondes traditionnelle ainsi que la physique avancée des basses températures. De ce fait, un outil de modélisation électromagnétique classique comme ARTEMIS, développé dans le cadre du projet de calcul exascale du Département de l'Énergie des États-Unis (DOE), s'avère un choix naturel pour ce type de modélisation.
Une simulation de grande envergure pour une puce minuscule
Toutes les simulations de puces quantiques ne nécessitent pas une telle puissance de calcul, mais la modélisation des détails infimes de cette puce minuscule et extrêmement complexe a mobilisé la quasi-totalité de la puissance du processeur Perlmutter. Les chercheurs ont utilisé la quasi-totalité des 7 168 GPU NVIDIA pendant 24 heures pour modéliser la structure et le fonctionnement d'une puce multicouche de seulement 10 millimètres carrés et 0,3 millimètre d'épaisseur, avec des gravures d'un micron de large.
« À ma connaissance, personne n'a jamais réalisé de modélisation physique de circuits microélectroniques à l'échelle d'un système Perlmutter complet. Nous avons utilisé près de 7 000 GPU », a déclaré Nonaka.
« Nous avons discrétisé la puce en 11 milliards de cellules de grille. Nous avons pu effectuer plus d'un million d'itérations temporelles en sept heures, ce qui nous a permis d'évaluer trois configurations de circuit en une seule journée sur Perlmutter. Ces simulations auraient été impossibles dans ce délai 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 des limitations des capacités de modélisation, l'utilisation des GPU massivement parallèles de Perlmutter a donné à Yao et Nonaka la puissance de calcul nécessaire pour examiner les détails physiques et montrer le mécanisme de la puce en action.
C’est ce niveau de détail qui rend cette simulation unique. Alors que d’autres simulations ont tendance à considérer les puces comme des « boîtes noires » en raison des limitations de modélisation, l’utilisation des GPU massivement parallèles de Perlmutter a permis à Yao et Nonaka d’exploiter la puissance de calcul nécessaire pour analyser les détails physiques et révéler le fonctionnement du mécanisme de la puce.
« Nous effectuons une simulation physique complète, ce qui signifie que nous prenons en compte le matériau utilisé sur la puce, son agencement, le câblage des fils métalliques (niobium ou autres), la construction des résonateurs, la taille, la forme et le matériau utilisé », explique Yao. « Ces détails physiques sont essentiels à nos yeux et nous les intégrons à notre modèle. »
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Outre sa représentation détaillée de la puce, la simulation a reproduit les conditions des expériences en laboratoire : la communication entre les qubits et avec les autres composants du circuit quantique.
La combinaison de ces qualités – une attention particulière portée à la conception physique de la puce et la capacité de simuler en temps réel – contribue à l’unicité de cette simulation, explique Yao : « Cette combinaison est essentielle, car nous utilisons l’équation aux dérivées partielles, l’équation de Maxwell, et nous l’appliquons au domaine temporel afin d’intégrer les comportements non linéaires. L’ensemble de ces éléments nous confère une capacité unique.»
Le NERSC a soutenu de nombreux projets en sciences de l’information quantique grâce au programme « Quantum Information Science @ Perlmutter », qui octroie des heures de la réserve discrétionnaire du directeur sur le supercalculateur Perlmutter à des projets quantiques prometteurs. L’équipe affirme néanmoins que la réalisation d’une simulation de cette envergure a représenté un défi stimulant.
« Ce projet se distingue comme l'un des plus ambitieux jamais menés sur Perlmutter dans le domaine quantique. Il exploite les capacités de calcul 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 au NERSC et ayant participé au projet.
Modélisation de la prochaine étape
L'équipe prévoit ensuite de réaliser davantage de simulations afin d'affiner sa compréhension quantitative de la conception de la puce et d'observer son fonctionnement au sein d'un système plus vaste.
« Nous souhaitons effectuer une simulation plus quantitative afin de pouvoir la post-traiter et quantifier le comportement spectral du système », a expliqué Yao. « Nous voulons observer comment le qubit entre en résonance avec le reste du circuit. Dans le domaine fréquentiel, nous souhaitons la comparer à d'autres simulations fréquentielles pour nous assurer de sa validité quantitative. »
Enfin, la simulation sera soumise à l'épreuve ultime : la comparaison avec le monde physique. Une fois la puce fabriquée et testée, Yao et Nonaka évalueront la précision de leur modèle et procéderont aux ajustements nécessaires.
Nonaka et Yao ont souligné qu'une simulation aussi détaillée de cette technologie n'aurait pas été possible sans une étroite collaboration au sein de la communauté de Berkeley, de l'AMCR au QSA, en passant par l'AQT et le NERSC, qui a apporté son expertise et sa puissance de calcul. Cette collaboration a permis d'obtenir des résultats importants pour l'avancement de la science, a déclaré Bert de Jong, directeur du QSA.
« Cette simulation inédite, rendue possible par un large partenariat entre scientifiques et ingénieurs, représente une avancée cruciale pour accélérer la conception et le développement de matériel quantique », a-t-il affirmé. « Des puces quantiques plus puissantes et plus performantes offriront de nouvelles possibilités aux chercheurs et ouvriront de nouvelles perspectives scientifiques. »
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RESUME
Un supercalculateur simule une puce quantique avec une précision inédite
Une micropuce quantique a été simulée avec une précision sans précédent grâce à plus de 7 000 GPU sur le supercalculateur Perlmutter. Ce dispositif modélise 11 milliards de cellules de la grille et capture des caractéristiques physiques fines telles que la composition des matériaux et le câblage. Cette approche permet de prédire avec précision les performances et le comportement électromagnétique de la puce, contribuant ainsi à l’optimisation et au développement de matériel quantique avancé.
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COMMENTAIRES
Il s 'agit d un développement technologique important pour les projets de Lawrance Berkeley ;mais au fait que fait le laboratoire de Berkeley ?
Premier laboratoire du système fédéral de laboratoires, le LBNL compte parmi ses physiciens et chimistes neuf lauréats du prix Nobel. Aujourd'hui, ce laboratoire pluridisciplinaire mène des recherches sur les matériaux avancés, les sciences de la vie, l'efficacité énergétique, les détecteurs et les accélérateurs, répondant ainsi aux besoins du pays en matière de technologie et d'environnement.
xxxxx
Quel est plus précisément
le rôle du laboratoire ?
On peut dire que l'objectif général du laboratoire est de fournir des données analytiques d'une exactitude et d'une fiabilité adéquates en un laps de temps acceptable et pour un coût convenable. ...et cela pout tout sujert ''sensible'' et discret .
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Provided by Lawrence Berkeley National Laboratory
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