量子计算有望在药物发现和材料科学等领域带来革命。然而，构建实用的大规模量子计算机是一项重大的工程挑战，尤其是在设计不易受噪声影响的量子比特方面。
传统芯片设计中，现代半导体行业依赖于电子设计自动化（EDA）工具，在投入昂贵的制造之前，先在软件中创建和验证芯片。同样，量子芯片的设计也能显著受益于EDA工具。模拟量子芯片中的噪声异常复杂，这类芯片对环境噪声以及不同电路元件之间不期望的相互作用（称为串扰）都高度敏感。
某中心与某国家实验室及其他研究人员密切合作，提供硬件和软件平台，用于支持GPU加速的EDA工具，以实现量子芯片设计的快速迭代。
某实验室的研究人员开发了ARTEMIS，这是一个用于新型芯片全波仿真的开源软件包。通过利用某中心的CUDA平台对ARTEMIS进行GPU加速，研究人员最近在某科学计算中心的Perlmutter超级计算机中的某中心GPU上，完成了世界上最大规模的量子全芯片仿真。
跨空间尺度的模拟
开发量子处理器最流行的架构之一是，利用在固态基底上制造的超导量子比特，这允许采用与传统半导体制造类似的方法。
对这些量子比特的精确模拟，必须解析跨越多个空间数量级的物理现象，从微米级的量子比特结构到厘米级的整个芯片尺寸。然而，在没有GPU加速模拟的情况下，迄今为止的模拟要么局限于芯片上小范围的高分辨率区域，要么是粗分辨率的全芯片模型，从而遗漏了关键的微观尺度相互作用；这迫使研究人员不得不在精度和可扩展性之间做出取舍。
要精确捕捉这些系统的耦合电磁行为，需要一种计算要求很高的时域方法。时间分辨模拟可以实时跟踪控制脉冲和微波信号如何在芯片上传播、反射和干涉，直接揭示频域方法经常遗漏的瞬态效应，如串扰、模式耦合和信号失真。
某实验室的ARTEMIS平台针对在某中心GPU上的并行化，优化了这些综合性模拟，提供了一个全波时域电磁求解器。由于GPU加速模拟具有极佳的可扩展性，ARTEMIS能够准确模拟大型芯片级系统，同时保留精细的空间和时间细节。它能解析从微米级量子比特结构到厘米级控制线的电磁相互作用。这种多尺度保真度为理解控制信号与量子比特结构之间的芯片级耦合动力学提供了新的物理见解。
站在巨人的肩膀上模拟
在某技术大会上宣布，某实验室及其合作的计算中心完成了对一款先进多层量子芯片的首次全波电动力学仿真。该团队利用了Perlmutter超级计算机的全部计算能力，在6724块某中心A100 Tensor Core GPU（占整个系统的95%）上运行了该模拟。这块1厘米的芯片被离散化为超过100亿个网格点，分辨率达到微米级。
在整个系统上运行了近8个小时，模拟了150万时间步长，以达到1纳秒的物理时间。该模拟建模了芯片的完整时间动力学，使研究人员能够以飞秒级时间分辨率观察控制信号在芯片中的传播。这对于理解串扰至关重要，而串扰是超导量子芯片设计中最大的障碍之一。
通过借鉴某中心的CUDA平台获得一个经过验证且可扩展的模拟框架，物理学家现在可以测试新颖的量子比特架构，识别并减少噪声源和串扰，并在进入制造周期之前验证量子芯片设计。这些信息对于设计者构建更好、更稳健的芯片以及加速其制造周期至关重要，提供了加速实现实用量子计算所需的强大工具集。
某中心的CUDA-Q平台提供了开箱即用的工具，正在加速量子计算关键工作负载的突破。
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