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《劳伦斯伯克利国家实验室等利用超级计算机实现量子微芯片高精度模拟》

  • 来源专题：集成电路与量子信息
  • 发布时间：2025-11-21

  • 美国劳伦斯伯克利国家实验室与加州大学伯克利分校的联合团队利用国家能源研究科学计算中心的“珀尔马特”超级计算机，成功实现了对量子微芯片的高精度模拟。这一成果为下一代量子技术的优化奠定了基础。

    研究团队动用了7000多块英伟达图形处理器，在24小时内对尺寸仅10平方毫米、厚度0.3毫米、蚀刻宽度细至1微米的多层结构芯片进行了详细模拟，揭示了其内部物理工作机制。此次模拟采用全波物理级精度，考虑了材料特性和动态交互过程，在单日内评估了3种电路配置。该技术路径将物理设计与实时模拟相结合，具有独特价值。

    未来，团队将继续进行系列模拟实验，深化对芯片设计的量化认知，并探索其在更大系统中的适配性，特别关注量子比特与电路元件的共振特性和基准验证。待实体芯片制作完成后，将通过实测数据与模拟结果比对，持续优化模型精度。

  • 原文来源：https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2025/11/555509.shtm
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    • 编译者：isticzz2022
    • 发布时间：2024-06-12
    •        量子计算机的速度是世界上一些最快的超级计算机的数百万倍，有潜力解决人类健康、药物发现和人工智能方面的复杂问题，量子计算机网络可以更快地推进这些发现。但在这之前，计算机行业将需要一种可靠的方法，以原子精度将数十亿量子位（或量子位）串在一起。然而，连接量子位对研究界来说一直是一项挑战。一些方法通过将整个硅片放置在非常高的温度下的快速退火炉中来形成量子位。通过这些方法，量子位从硅晶格中的缺陷（也称为色心或量子发射器）随机形成。如果不知道量子位在材料中的确切位置，连接量子位的量子计算机将很难实现。        但现在，让量子位连接起来可能很快就会成为可能。劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）领导的一个研究小组表示，他们是第一个使用飞秒激光通过在硅中掺杂氢，按需精确地创建和“湮灭”量子位的人。这一进展可以使用可编程光学量子位或“自旋光子量子位”的量子计算机能够通过远程网络连接量子节点。它还可以推进量子互联网，该互联网不仅更安全，而且可以传输比当前光纤信息技术更多的数据。        伯克利实验室加速器技术与应用物理（ATAP）部门的博士后学者Kaushalya Jhuria说：“为了制造一个可扩展的量子架构或网络，我们需要能够在所需位置可靠地按需形成量子位，这样我们就知道量子位在材料中的位置。这就是为什么我们的方法至关重要。她是《自然通讯》杂志上描述这项技术的一项新研究的第一作者。因为一旦我们知道一个特定的量子位在哪里，我们就可以确定如何将这个量子位与系统中的其他组件连接起来，并形成量子网络。”        伯克利实验室ATAP部门聚变科学与离子束技术项目负责人、首席研究员Thomas Schenkel表示：“这可能为工业界开辟一条潜在的新途径，以克服量子位制造和质量控制方面的挑战。他的团队将于6月接待夏威夷大学的第一批学生，这是美国能源部聚变能源科学资助的RENEW劳动力发展项目的一部分，学生们将沉浸在色彩中心/量子位科学技术中。        用可编程控制在硅中形成量子位这种新方法利用气体环境在硅中形成称为“色心”的可编程缺陷。这些色心是特殊电信量子位或“自旋光子量子位”的候选者。该方法还使用超快飞秒激光对硅进行精确退火，精确到这些量子位应该精确形成的位置。飞秒激光在万亿分之一秒内向一个尘埃大小的聚焦目标提供非常短的能量脉冲。        自旋光子量子位发射的光子可以远距离携带电子自旋编码的信息，这是支持安全量子网络的理想特性。量子位是量子信息系统中最小的组件，可以编码三种不同状态的数据：1、0或1到0之间的叠加。在伯克利实验室材料科学部的科学家、加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学（EECS）教授Boubacar Kanté的帮助下，该团队使用近红外探测器通过探测其光学（光致发光）信号来表征产生的色心。他们发现的东西让他们大吃一惊：一个叫做Ci中心的量子发射器。由于其简单的结构、室温下的稳定性和有希望的自旋特性，Ci中心是一个有趣的自旋光子量子位候选者，可以在电信波段发射光子。Jhuria说：“我们从文献中知道Ci可以在硅中形成，但我们没想到用我们的方法真正制造出这种新的自旋光子量子位候选者。”。        研究人员了解到，在氢气存在的情况下，用低飞秒激光强度处理硅有助于产生Ci色心。申克尔解释说，进一步的实验表明，增加激光强度可以增加氢的迁移率，从而在不损坏硅晶格的情况下钝化不希望的色心。伯克利实验室分子铸造厂的科学家梁谭进行的一项理论分析表明，在氢的存在下，Ci色心的亮度提高了几个数量级，这证实了他们在实验室实验中的观察结果。Jhuria说：“飞秒激光脉冲可以将氢原子踢出或带回，从而在精确的位置可编程地形成所需的光学量子位。”该团队计划使用该技术将光学量子位集成到反射腔和波导等量子器件中，并发现新的自旋光子量子位候选者，其特性针对选定的应用进行了优化。Jhuria说：“现在我们可以可靠地制造色心了，我们想让不同的量子位相互交谈——这是量子纠缠的一个体现——看看哪些量子位表现最好。这只是一个开始。”ATAP部门主任Cameron Geddes表示：“在硅等材料的可编程位置形成量子位的能力是朝着实用量子网络和计算迈出的令人兴奋的一步。”。       该研究的理论分析是在伯克利实验室能源部国家能源研究科学计算中心的支持下进行的QIS@Perlmutter程序分子铸造厂和NERSC是美国能源部伯克利实验室的科学办公室用户设施。这项工作得到了美国能源部聚变能源科学办公室的支持。
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  • 《美国能源部计划在劳伦斯伯克利国家实验室建造下一代超级计算机》
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    • 编译者：pengh
    • 发布时间：2018-11-01
    • 新的exascale系统将被命名为“珀尔马特”，以纪念实验室获得诺贝尔奖的天体物理学家 华盛顿特区——美国能源部(DOE)宣布，劳伦斯伯克利国家实验室国家能源研究科学计算中心(NERSC)与克雷签署了一份合同，将于2020年交付NERSC的下一代超级计算机——一种预exascale机器。为了纪念伯克利实验室获得诺贝尔奖的天体物理学家索尔·珀尔马特(Saul Perlmutter)，这个名为“珀尔马特”(Perlmutter)的系统是第一个专门设计用于满足大规模模拟以及来自实验和观测设施的数据分析需求的NERSC系统。 这台新超级计算机的合同总价值为1.46亿美元，包括多年的服务和支持，将是目前NERSC计算能力的三倍多。它代表了能源部科学办公室对极限规模科学的承诺，开发新能源，提高能源效率，发现新材料。此外，新系统具有许多创新能力，将有助于分析来自科学实验设施的大量数据集，这对跨学科的科学家来说是一个越来越大的挑战。 美国能源部长里克·佩里说:“继续在高性能计算领域发挥领导作用对美国的竞争力、繁荣和国家安全至关重要。”“这一先进的新系统与美国工业界建立了密切的合作关系，将为美国科学家提供一种强大的新发现和创新工具，并将成为通往即将到来的exascale计算时代的重要里程碑。” “这项协议维护美国在HPC的领导地位,在技术和科学研究,可以如此强大的系统来完成,这是至关重要的维持经济和知识的领导下,“芭芭拉Helland说,先进的科学计算研究办公室副主任能源部科学办公室。“这项协议是科学用户社区办公室(Office of Science user community)为我们在exascale时代期待看到的各种计算系统做准备的一个进步。” “我很高兴听到下一台超级计算机将特别有能力处理大型和复杂的数据分析。所以很荣幸得知这个系统将被命名为珀尔马特，”珀尔马特博士说。“虽然我也意识到我有点害怕，因为我们都知道被电脑搞得灰心丧气是什么感觉，我希望经过一天的艰苦工作和漫长的电脑排队之后，没有人会拿它来跟我作对!”我至少得到了保证，没有人需要键入我的10个字符的姓才能登录。 NERSC主管Sudip Dosanjh表示:"我们对珀尔穆特系统感到非常兴奋。"“这将大大提高我们的用户的能力，并为我们提供一个平台，继续将我们非常广泛的工作负载向节能架构过渡。”系统经过科学优化，我们将与Cray, NVIDIA和AMD合作，确保Perlmutter能够满足我们用户的计算和数据需求。我们还将在伯克利实验室的Shyh Wang实验室(NERSC的所在地)进行一次主要的电源和冷却升级，为Perlmutter准备设备。 这台新的超级计算机将是一个异构系统，由cpu专用的和gpu加速的机箱组成。它将包括一些创新，旨在满足NERSC用户基础的各种计算和数据分析需求，并提高其科学生产力。这包括一个新的Cray系统互连，代号为Slingshot，是为以数据为中心的计算而设计的;以及NVIDIA gpu的新型张量核心技术，直接液体冷却，和一个全flash划痕文件系统，它将以超过4tb /秒的速度移动数据。 Cray总裁兼首席执行官Pete Ungaro说:“作为美国能源部的首要计算设备，NERSC正在推动科学创新，这将有助于改变世界，我们很荣幸能与他们合作。”“我们与伯克利实验室的团队密切合作，开发和实施我们的下一代超级计算和存储技术，这将使建模、模拟、人工智能和分析领域进入和灵活的新时代。”我们期待着看到许多科学发现，这些发现都是珀尔马特的研究成果。 NERSC位于伯克利实验室，是美国能源部科学办公室的任务高性能计算设备，每年支持超过7000名科学家和600个项目。有关能源部科学办公室的更多信息，请访问他们的网站。更多关于劳伦斯伯克利国家实验室的信息，请访问他们的网站。 ——文章发布于2018年10月30日
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