Američtí výzkumníci z Lawrence Berkeley National Laboratory a University of California v Berkeley oznámili průlom v oblasti návrhu kvantového hardwaru. Pomocí více než sedmi tisíc grafických procesorů NVIDIA na superpočítači Perlmutter dokázali nasimulovat chování kvantového mikročipu v dosud nevídaném detailu. Výpočet běžel v Národním energetickém výzkumném centru NERSC, které spadá pod americké ministerstvo energetiky.

Simulace před samotnou výrobou čipu má zásadní význam. Kvantové technologie jsou extrémně citlivé na drobné konstrukční nepřesnosti a výroba každé nové verze je nákladná. Pokud se však podaří chyby odhalit ve virtuálním prostředí, vývoj se výrazně zrychlí a zlevní, což bylo cílem tohoto projektu.

Obří výpočet pro miniaturní strukturu

Modelovaný čip má rozměry pouhých deset krát deset milimetrů a tloušťku tři desetiny milimetru. Obsahuje však struktury široké jen jeden mikron. Aby vědci zachytili jeho skutečné fyzikální chování, rozdělili jej do 11 miliard výpočetních buněk. Během sedmi hodin proběhlo více než milion časových kroků, což umožnilo otestovat několik variant zapojení během jediného dne.

Na rozdíl od běžných modelů, které čipy zjednodušují a pracují s nimi jako s černou skříňkou, zde šlo o plnohodnotnou fyzikální simulaci. Výzkumníci zahrnuli konkrétní materiály, uspořádání kovových vodičů, rezonátory i způsob šíření elektromagnetických vln. Model vycházel z Maxwellových rovnic a počítal v časové oblasti, takže dokázal zohlednit i nelineární jevy.

Takto detailní přístup umožnil sledovat například to, jak se signály v čipu navzájem ovlivňují, zda nedochází k nežádoucímu přeslechu a jak spolu komunikují jednotlivé qubity. Jinými slovy, simulace napodobila podmínky laboratorního testování ještě před tím, než byl čip fyzicky vyroben.

Cesta k přesnějším kvantovým procesorům

Projekt využil výpočetní platformu ARTEMIS, která vznikla v rámci amerického programu Exascale Computing Project. Ta je navržena právě pro extrémně náročné elektromagnetické modelování. Podle zástupců NERSC patří tato simulace mezi dosud nejambicióznější kvantové projekty, které na Perlmutteru běžely.

Další krok bude spočívat v podrobnějším vyhodnocení frekvenčního chování systému a následném porovnání s reálnými experimenty. Jakmile bude čip vyroben a otestován, vědci ověří, nakolik simulace odpovídala realitě. Právě tato zpětná vazba je klíčová pro další zpřesnění modelů.