研究人员借助珀尔马特超算的7000块GPU对量子微芯片进行建模，完整呈现其设计结构与电磁特性。

近日，超过7000块英伟达GPU成功模拟出量子微芯片，这项突破性成果将全球最强超级计算机之一推向了算力极限。

由劳伦斯伯克利国家实验室与加州大学伯克利分校组成的跨机构研究团队，完成了对下一代量子芯片的全尺度物理模拟，创下该领域前所未有的纪录。

这项成果标志着量子计算机硬件研发迈出关键一步。

大规模模拟任务在美国能源部下属国家能源研究科学计算中心的珀尔马特超算上完成。该超算的7168块英伟达GPU以近满载状态连续运行了24小时。

在芯片制造前进行量子建模，可帮助科学家预测其运行机制、定位性能瓶颈并消除可能影响量子比特行为的错误。

该模型由量子系统加速器（QSA）研究员 —— 伯克利实验室应用数学与计算研究部的姚志杰（音译）与安迪·野中共同开发。

野中解释道："计算模型能预测设计决策如何影响芯片内部的电磁波传播，从而确保实现精确的信号耦合，避免有害的串扰。"

研究团队使用其亿亿级建模工具ARTEMIS，对加州大学伯克利分校伊尔凡·西迪基量子纳米电子实验室设计的量子芯片进行模拟优化，该工作与伯克利实验室先进量子测试平台紧密合作完成。这项成果将在SC25超算会议上展示。

微观物理的宏观模拟

QSA主任伯特·德容指出："这项由科学家与工程师广泛合作实现的突破性模拟，是加速量子硬件研发的关键进展……"

量子芯片设计涵盖微波工程、低温物理与精密电磁建模等多学科领域。

ARTEMIS最初为美国能源部的亿亿级计算项目开发，其独特优势正适用于此类多尺度挑战。

由于该芯片结构极其复杂，模拟过程需要巨大算力支撑。这款芯片尺寸仅10平方毫米，厚度0.3毫米，蚀刻线宽仅1微米。但要完整捕捉其物理结构，几乎动用了珀尔马特全部GPU算力。

野中如此描述计算规模："据我所知，尚未有人在全珀尔马特系统规模上实现过微电子电路的物理建模。我们动用了近7000块GPU。"

他补充说明，团队将芯片离散化为110亿个网格单元，在7小时内运行超百万个时间步长 —— 这样的速度足以在单日内测试三种电路配置。

与传统"黑箱"模拟不同，本次研究完整建模了芯片的材料构成、布线结构、谐振器几何形态及电磁相互作用。

姚强调："我们进行全波物理级模拟……那些物理细节至关重要，均被纳入模型考量。"

量子设计的进阶之路

该模拟还实时复现了实验室环境下的量子行为，包括量子比特间及其与整体电路的相互作用。

姚指出，在时域求解麦克斯韦方程组有助于融入非线性行为，这正是该模型具备独到预测能力的关键。

NERSC工程师评价称，这是珀尔马特超算有史以来执行的最具挑战性的量子模拟项目。

下一步，团队计划开展更多定量模拟，对标频域特性，最终与实体芯片进行实验比对。

这项成果充分证明，应用数学与计算研究部、量子系统加速器、先进量子测试平台与国家能源研究科学计算中心的多方协作，正在有效加速量子硬件研发进程，为科学研究开辟新的可能。

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