La simulazione quantistica compie un balzo in avanti grazie alla potenza di calcolo senza precedenti del supercomputer Perlmutter. Un team interdisciplinare del Lawrence Berkeley National Laboratory e dell'Università della California ha completato la modellazione elettromagnetica più dettagliata mai realizzata di un microchip quantistico, sfruttando quasi l'intera capacità computazionale della macchina: 7.168 GPU NVIDIA impegnate ininterrottamente per 24 ore. Si tratta di un risultato che apre nuove prospettive nella progettazione e ottimizzazione dei circuiti quantistici, componenti fondamentali per lo sviluppo delle tecnologie di calcolo di prossima generazione.
Il chip analizzato presenta dimensioni estremamente ridotte – appena 10 millimetri quadrati di superficie per uno spessore di 0,3 millimetri – ma una complessità strutturale eccezionale, con incisioni larghe solamente un micron. Per catturarne fedelmente la geometria e il comportamento elettromagnetico, i ricercatori Zhi Jackie Yao e Andy Nonaka della divisione di Matematica Applicata e Ricerca Computazionale hanno discretizzato l'intero dispositivo in 11 miliardi di celle della griglia di calcolo, eseguendo oltre un milione di passi temporali in sette ore. Questa risoluzione spaziale e temporale ha permesso di valutare tre diverse configurazioni circuitali nell'arco di una singola giornata, un traguardo impensabile fino a poco tempo fa.
La metodologia adottata si distingue radicalmente dagli approcci tradizionali. Mentre la maggior parte delle simulazioni di microchip tratta i componenti come "scatole nere" a causa dei limiti computazionali, il team del Berkeley Lab ha sviluppato ARTEMIS, uno strumento di modellazione elettromagnetica nato nell'ambito della Exascale Computing Project Initiative del Dipartimento dell'Energia statunitense. Questo software risolve le equazioni di Maxwell nel dominio del tempo, incorporando i dettagli fisici del dispositivo: la tipologia dei materiali utilizzati, la disposizione spaziale dei circuiti, la configurazione dei fili metallici in niobio, la geometria e le dimensioni dei risonatori.
L'approccio sviluppato al National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), struttura del Dipartimento dell'Energia, rappresenta un'ibridazione innovativa tra ingegneria delle microonde classica e fisica quantistica a basse temperature. Come spiega Nonaka, il modello computazionale predice come le scelte progettuali influenzino la propagazione delle onde elettromagnetiche nel chip, garantendo l'accoppiamento corretto dei segnali ed evitando interferenze indesiderate tra i diversi componenti. La capacità di simulare il chip in tempo reale ha permesso inoltre di replicare virtualmente le condizioni sperimentali di laboratorio, mostrando come i qubit comunicano tra loro e con le altre parti del circuito quantistico.
Il dispositivo modellato è stato progettato attraverso una collaborazione tra il Quantum Nanoelectronics Laboratory di Irfan Siddiqi all'Università della California, Berkeley, e l'Advanced Quantum Testbed del Berkeley Lab, nell'ambito del programma Quantum Systems Accelerator. Katie Klymko, ingegnere informatico specializzato in computazione quantistica al NERSC, sottolinea come questo sforzo rappresenti uno dei progetti quantistici più ambiziosi mai realizzati su Perlmutter, catturando dettagli dell'hardware quantistico attraverso più di quattro ordini di grandezza. Il lavoro verrà presentato alla conferenza internazionale SC25 dedicata al calcolo ad alte prestazioni.
Non tutte le simulazioni di chip quantistici richiedono una tale potenza di calcolo, ma la complessità stratificata di questo dispositivo e la necessità di preservare ogni dettaglio strutturale hanno reso indispensabile l'utilizzo di quasi l'intera capacità del supercomputer. L'architettura massivamente parallela delle GPU di Perlmutter si è rivelata cruciale per gestire simultaneamente miliardi di calcoli, un requisito fondamentale per le simulazioni basate su equazioni differenziali alle derivate parziali nel dominio del tempo, che permettono di incorporare comportamenti non lineari del sistema.
Il programma Quantum Information Science @ Perlmutter del NERSC ha sostenuto numerosi progetti di ricerca nell'ambito delle scienze dell'informazione quantistica, allocando ore di calcolo attraverso la Director's Discretionary Reserve. La natura collaborativa di questa iniziativa ha coinvolto competenze trasversali all'interno dell'ecosistema scientifico di Berkeley, dalla matematica applicata alla fisica quantistica sperimentale, fino all'ingegneria computazionale. Secondo Bert de Jong, direttore del Quantum Systems Accelerator, questa simulazione senza precedenti rappresenta un passo critico per accelerare la progettazione e lo sviluppo dell'hardware quantistico, aprendo nuove possibilità per i ricercatori.
Le prossime fasi della ricerca prevedono simulazioni ancora più sofisticate per quantificare il comportamento spettrale del sistema. Il team intende analizzare nel dominio delle frequenze come i qubit risuonano con il resto del circuito, confrontando i risultati con altre simulazioni per validare quantitativamente la correttezza del modello. Il test definitivo arriverà con la fabbricazione fisica del chip: solo il confronto tra le prestazioni del dispositivo reale e quelle previste dalla simulazione permetterà di raffinare ulteriormente i modelli computazionali, chiudendo il ciclo virtuoso tra progettazione virtuale e realizzazione materiale.
