Un equipo multidisciplinar del Lawrence Berkeley National Laboratory y la Universidad de California en Berkeley logró ejecutar una de las simulaciones cuánticas más complejas hasta ahora, utilizando el superordenador Perlmutter, uno de los más potentes del mundo. Este hito representa un avance clave hacia la construcción de chips cuánticos de próxima generación, al permitir modelar con precisión su comportamiento físico antes de ser fabricados.
El experimento empleó más de 7.000 GPUs NVIDIA en Perlmutter para simular el diseño completo de un microchip cuántico, incluyendo su estructura física y sus propiedades electromagnéticas. La escala y el detalle alcanzado convierten este trabajo en una referencia para futuros desarrollos en hardware cuántico.
Arte digital en escala microscópica
La complejidad del chip modelado es difícil de imaginar: mide apenas 10 milímetros cuadrados, tiene un grosor de 0,3 milímetros y detalles de grabado de apenas un micrón de ancho. Para representarlo con fidelidad, el equipo dividió el chip en 11.000 millones de celdas de simulación y ejecutó más de un millón de pasos de tiempo en solo siete horas.
Esto fue posible gracias a ARTEMIS, una herramienta de modelado desarrollada para el proyecto de Computación Exascala del Departamento de Energía de EE.UU., capaz de abordar problemas físicos multiescala. Esta plataforma no solo simula el aspecto externo del chip, sino también su composición de materiales, la geometría de los resonadores y las complejas interacciones electromagnéticas que surgen entre los distintos componentes.
Por qué modelar antes de fabricar
Al igual que los arquitectos crean modelos tridimensionales antes de construir un edificio, los científicos cuánticos necesitan prever el comportamiento de los chips antes de fabricarlos. El modelado previo permite identificar problemas de rendimiento, minimizar interferencias y validar que los qubits (las unidades básicas de información cuántica) interactúen de forma correcta.
El investigador Andy Nonaka explicó que este enfoque ayuda a predecir cómo las decisiones de diseño afectan la propagación de ondas electromagnéticas en el chip. Esto resulta esencial para lograr una acoplamiento de señal eficiente y evitar el «crosstalk», una interferencia indeseada entre canales.
Simulaciones físicas de circuito completo
Lo que diferencia esta simulación de otras anteriores es su nivel de detalle. No se trata de una caja negra que predice resultados de forma estadística, sino de una representación física completa de todo el circuito. Desde el trazado de cables hasta los materiales empleados, todo se incluye para replicar con fidelidad lo que sucede en el laboratorio.
El investigador Zhi Jackie Yao destacó que la resolución del modelo permite incluso simular el comportamiento no lineal de los componentes, resolviendo las ecuaciones de Maxwell en el dominio del tiempo. Esto proporciona una capacidad predictiva muy precisa sobre cómo se comportan los qubits en tiempo real.
Un día, tres diseños distintos
Gracias al uso intensivo de GPUs, el equipo fue capaz de probar tres configuraciones diferentes del chip en un solo día, algo que habría sido impensable sin este tipo de simulación acelerada. Este ritmo de iteración acorta los tiempos de desarrollo y permite optimizar el diseño sin incurrir en los costos de fabricación física de prototipos.
Los resultados serán presentados en la conferencia SC25 sobre supercomputación, donde se espera que marquen un precedente para futuros trabajos que integren la computación exascala con el diseño de hardware cuántico.
Lo que viene: validar con chips reales
La siguiente fase del proyecto consiste en realizar simulaciones cuantitativas en el dominio de la frecuencia, comparando los resultados digitales con chips fabricados de forma física. Esta etapa permitirá verificar la precisión del modelo y afinarlo para futuros usos.
La colaboración entre distintas instituciones como el Quantum Systems Accelerator (QSA), el Advanced Quantum Testbed (AQT) y el centro de supercomputación NERSC está allanando el camino hacia una nueva era de diseño cuántico basado en simulación física completa.
Este enfoque podría convertirse en una herramienta clave para avanzar rápidamente en la fabricación de computadoras cuánticas funcionales, reduciendo riesgos y costos en el proceso.