Суперкомпютър за първи път симулира 50-кубитов квантов процесор

Европейският суперкомпютър Jupiter, който наскоро бе инсталиран в Суперкомпютърния център в Юлих (JSC), постави нов световен рекорд в областта на класическата симулация на квантови схеми.

Екипът на JSC, в сътрудничество с експерти от Nvidia, успя да завърши пълна симулация на универсален квантов компютър, който разполага с 50 кубита, като по този начин надмина предишния рекорд от 48 кубита, също постигнат в Юлих.

Това забележително постижение показва границите на класическите изчисления и отваря нови възможности за тестване на квантови алгоритми много преди да се появят масово произвеждани и надеждни квантови устройства.

Симулирането на универсален квантов процесор играе ключова роля за напредъка на бъдещите квантови технологии. Точните модели, генерирани от мощността на суперкомпютъра, позволяват на изследователите да тестват различни методи в областта на квантовата химия и материалознанието. Примери за важни техники в тази сфера са VQE (вариационен квантов решавач на собствени стойности) и оптимизационни алгоритми, включително QAOA (квантов приблизителен оптимизационен алгоритъм).

Тези алгоритми са предназначени за прилагане на реални квантови устройства, но в момента съществуващите устройства все още нямат необходимата стабилност и капацитет, което прави класическите суперкомпютри критично важни за тестовете и изследванията в тази област.

Основното предизвикателство, с което се сблъскват учените при класическите симулации на квантови компютри, е, че изискванията за ресурсите нарастват експоненциално: всеки добавен кубит удвоява нуждите от памет и броя на операциите. Например, стандартен лаптоп е способен да обработва около 30 кубита, докато симулирането на 50 кубита изисква около 2 петабайта памет, и затова е необходима архитектурата на Jupiter, която разполага с хиляди модули Nvidia GH200.

Симулаторът, инсталиран на Jupiter, точно възпроизвежда поведението на реален квантов процесор. Всяка квантова логическа операция (известна като квантов портал) засяга повече от 2 квадрилиона комплексни амплитуди (около 2 x 10^15 числа), които трябва да бъдат координирани между хилядите изчислителни възли. Такъв мащаб е направил предишните опити за симулиране на подобни големи системи практически неосъществими, дори за най-напредналите машини налични до момента.

Пробивът в тази област бе постигнат благодарение на ново поколение софтуер – версията JUQCS-50. Тя използва хибридната памет на модулите Nvidia GH200, позволявайки прехвърлянето на част от данните между паметта на графичните процесори и централните процесори (CPU) с минимални загуби на производителност.

Специален метод на компресия с байтово кодиране налага значително намаляване на изискванията за памет с коефициент 8, а динамичен алгоритъм непрекъснато оптимизира трансфера на данни между повече от 16 000 суперпроцесора по време на симулацията.

“Със софтуера JUQCS-50 можем да емулираме универсални квантови компютри с висока точност и да решаваме проблеми, с които никой съществуващ квантов процесор в момента не може да се справи”, каза проф. Ханс Де Радт, водещ автор на изследването.

Проектите, реализирани чрез получените симулатори, ще станат част от инфраструктурата JUNIQ (Julich UNified Infrastructure for Quantum Computing), която ще бъде достъпна за външни изследователски групи и компании.

JUQCS-50 ще бъде използван не само като платформа за разработване и тестване на квантови алгоритми, но също така и като бенчмарк за оценка и измерване на възможностите на суперкомпютрите от следващо поколение.