Квантовые компьютеры остаются одной из самых дорогих и капризных технологий в мире. Один неверный расчёт при проектировании чипа, и месяцы работы уходят в мусор вместе с миллионами долларов. Группа физиков из Национальной лаборатории Лоуренса и Калифорнийского университета в Беркли нашла способ проверять конструкцию до того, как она попадёт на производство. Инструмент — суперкомпьютер Perlmutter и почти семь тысяч видеокарт Nvidia.
Чёрный ящик больше не чёрный
До сих пор при моделировании квантовых чипов исследователи работали с так называемым «чёрным ящиком»: фиксировали сигналы на входе и выходе, не вникая в физику процессов внутри. Это давало общее представление о поведении системы, но не позволяло выявить скрытые дефекты конструкции.
Команда из Беркли пошла принципиально другим путём. Они построили полноволновую симуляцию физического уровня — модель, учитывающую реальные свойства каждого материала, точную геометрию резонаторов и расположение всех проводников шириной до одного микрона. Именно такую детализацию раньше считали вычислительно недостижимой.
Одиннадцать миллиардов ячеек за семь часов
Объектом симуляции стал многослойный чип площадью 100 мм² и толщиной 0,3 мм. Виртуальная копия была разбита на 11 миллиардов расчётных ячеек. Для каждой из них решались уравнения Максвелла — фундаментальные уравнения электродинамики, описывающие распространение электромагнитных волн.
Именно через эти волны кубиты (квантовые аналоги битов) взаимодействуют друг с другом внутри микросхемы. Увидеть эту картину в реальном времени раньше было невозможно.
На решение задачи ушло семь часов. За это время суперкомпьютер просчитал более миллиона временных шагов. За одни сутки команда успела проверить три разные конфигурации одного и того же чипа — результат, который традиционными методами занял бы несравнимо больше времени.
Зачем это нужно на практике
Симуляция такого уровня детализации позволяет обнаружить проблемы, невидимые при стандартном анализе. Главная из них — перекрёстные помехи: нежелательные электромагнитные наводки между элементами чипа, которые снижают точность квантовых вычислений. Выявить их до производства — значит сэкономить месяцы работы и значительные средства.
Что дальше
Следующий шаг команды — изготовить реальный физический образец чипа и сопоставить его характеристики с данными симуляции. Совпадение результатов станет окончательным подтверждением точности метода и откроет путь к проектированию нового поколения квантовых процессоров.