Quasi 7.000 GPU per simulare un chip quantistico: cosa è successo al Berkeley Lab
La simulazione di un chip quantistico con un livello di dettaglio mai raggiunto prima. È questo il risultato ottenuto da un gruppo di ricercatori del Berkeley Lab, che ha sfruttato la potenza di quasi 7.000 GPU per modellare il comportamento elettromagnetico di un componente largo appena 10 millimetri. Un lavoro enorme per un oggetto microscopico, e proprio qui sta il punto: progettare hardware quantistico più affidabile significa poter prevedere ogni problema prima ancora di fabbricare il dispositivo fisico.
Il team, guidato dai ricercatori Zhi Jackie Yao e Andy Nonaka della divisione Applied Mathematics and Computational Research, ha utilizzato ARTEMIS, uno strumento di modellazione nato per il calcolo su scala exa. Il chip simulato è stato sviluppato in collaborazione con il Quantum Nanoelectronics Laboratory dell’Università della California, Berkeley, e l’Advanced Quantum Testbed del laboratorio. Il lavoro verrà presentato alla conferenza internazionale SC25, dedicata al supercalcolo ad alte prestazioni.
Un supercalcolatore al massimo della sua potenza
Per riuscire nell’impresa, i ricercatori hanno impiegato quasi tutta la capacità del supercalcolatore Perlmutter. In 24 ore di calcolo sono state utilizzate quasi tutte le 7.168 GPU NVIDIA disponibili. Il chip, spesso appena 0,3 millimetri e con dettagli fino a un micron, è stato suddiviso in 11 miliardi di celle. Oltre un milione di passi temporali sono stati completati in sette ore, permettendo di valutare tre configurazioni circuitali in una sola giornata.
Quello che rende questa simulazione diversa dalle altre è l’approccio. Molti modelli trattano i chip come “scatole nere”, semplificando la struttura per risparmiare risorse computazionali. Qui invece ogni elemento fisico conta: il tipo di metallo usato (come il niobio), la disposizione dei fili, la forma dei risonatori, le dimensioni esatte di ogni componente. Tutto viene incluso nel modello, senza scorciatoie.
Come ha spiegato Nonaka, non risulta che qualcuno abbia mai realizzato una modellazione fisica di circuiti microelettronici alla scala completa di Perlmutter. E non si tratta solo di potenza bruta: la simulazione ricrea anche il comportamento del chip durante esperimenti reali, compreso il modo in cui i qubit interagiscono tra loro e con il resto del circuito.
Simulare il comportamento quantistico in tempo reale
La vera particolarità del progetto sta nella combinazione tra dettaglio fisico e simulazione nel dominio del tempo. Il team ha applicato le equazioni di Maxwell in modo da catturare effetti non lineari e seguire l’evoluzione dei segnali istante per istante. È una capacità descritta dagli stessi ricercatori come unica nel suo genere.
Il progetto è stato supportato dal programma Quantum Information Science @ Perlmutter del NERSC, che assegna tempo di calcolo alle ricerche quantistiche più promettenti. Anche all’interno di quel programma, questa simulazione si è distinta per ambizione e scala.
Guardando avanti, il gruppo punta a espandere le simulazioni per ottenere una comprensione ancora più precisa del chip quantistico e del suo funzionamento all’interno di sistemi più ampi. L’obiettivo finale è confrontare i risultati della simulazione con quelli sperimentali, una volta che il chip verrà effettivamente fabbricato e testato. Se i numeri dovessero combaciare, si aprirebbe una strada concreta per accelerare lo sviluppo di processori quantistici più performanti, riducendo tempi e costi di progettazione in modo significativo.
