从药物研发到材料科学，量子计算有望深刻变革科学与工业领域。然而，构建实用的大规模量子计算机仍面临严峻的工程挑战，特别是在设计抗噪声能力强的量子比特方面。
在传统芯片设计中，现代半导体行业依赖电子设计自动化（EDA）工具在软件环境中完成芯片的设计与验证，再进入成本高昂的制造阶段。类似地，量子芯片的设计也能从EDA工具中获益良多。然而，量子芯片中的噪声模拟极为复杂，因为这类芯片不仅对环境噪声极为敏感，还容易受到不同电路元件之间非预期相互作用（即串扰）的影响。
NVIDIA 与劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）及其他研究人员紧密合作，提供支持 GPU 加速的 EDA 工具所需的硬件与软件平台，推动量子芯片设计的高效迭代。
伯克利实验室的研究人员开发了ARTEMIS，这是一款用于新型芯片全波仿真的开源软件包。近期，研究团队在 NERSC 的 Perlmutter 超级计算机上，基于 NVIDIA CUDA 平台对 ARTEMIS 进行了 GPU 加速，成功在NVIDIA GPU上实现了迄今规模最大的全量子芯片模拟。
跨空间尺度的仿真
一种广泛采用的量子处理器架构是利用在固态基板上制造的超导量子比特，这种技术可借助与传统半导体制造相似的工艺方法。
这些量子比特的精确模拟需要在空间尺度上跨越多个数量级，从微米级的量子比特结构到厘米级的整个芯片尺寸，以解析其物理特性。然而，由于无法利用 GPU 加速模拟，当前的模拟只能局限于小尺寸的高分辨率芯片区域，或采用缺乏关键微尺度相互作用的低分辨率全芯片模型，导致研究人员不得不在模拟精度与可扩展性之间做出权衡。
准确捕捉这些系统的电磁行为需要采用计算量极大的时域方法。时间分辨仿真能够追踪控制脉冲和微波信号在芯片中传播、反射和相互干扰的实时过程，直观揭示瞬态效应，例如频域方法常忽略的串扰、模式耦合以及信号失真。
伯克利实验室的 ARTEMIS 平台针对 NVIDIA GPU 上的并行计算进行了优化，可高效执行全面的电磁模拟，提供全波、时域电磁求解能力。得益于 GPU 加速带来的高度可扩展性，ARTEMIS 能够在保持精细空间与时间分辨率的同时，对大型芯片级系统实现高精度建模。该平台能够解析从微米级量子比特结构到厘米级控制线路之间的电磁相互作用，具备多尺度的模拟保真度，为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洞察。
在巨人肩膀上模拟
在 GTC DC 大会上，伯克利实验室与 NERSC 宣布成功完成对一款先进多层量子芯片的首次全波电动力学模拟。研究团队充分利用 Perlmutter 超级计算机的强大算力，在共计 6,724 块 NVIDIA A100 Tensor Core GPU 上运行了此次模拟，占该系统总 GPU 数量的 95%。该芯片尺寸为 1 厘米，以微米级分辨率被离散化为超过 10 亿个网格点。
对整个系统进行建模，模拟达到1纳秒物理时间所需的150万个时间步长，耗时近8小时。该仿真完整再现了芯片的动态时序行为，使研究人员能够以飞秒级时间分辨率观测控制信号在芯片中的传播过程。这种高精度观测对于理解串扰现象至关重要，而串扰是超导量子芯片设计中的主要挑战之一。
通过采用 NVIDIA CUDA 平台这一经过验证的可扩展仿真框架，物理学家能够测试新型量子位架构，识别并降低噪声源与串扰，并在进入制造阶段前验证量子芯片设计。这些能力对设计人员优化芯片性能、提升可靠性并加快研发进程至关重要，为加速实现实用化量子计算提供了强有力的工具支持。
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