Prima simulare completă a unui computer cuantum universal cu 50 de qubiți realizată
Un grup de cercetători de la Centrul de Supercalcul Jülich, în colaborare cu experți de la NVIDIA, a stabilit un nou record în simularea cuantică: pentru prima oară, un computer cuantum universal cu 50 de qubiți a fost complet simulat. Această realizare a avut loc pe JUPITER, primul supercomputer exascale din Europa, inaugurat la Forschungszentrum Jülich în septembrie 2025.
Performanța depășește precedentul record mondial de 48 de qubiți, stabilit de cercetătorii Jülich în 2022 pe computerul K din Japonia. Aceasta dovedește puterea computațională imensă a lui JUPITER și deschide noi orizonturi pentru dezvoltarea și testarea algoritmilor cuantici. Rezultatele cercetării au fost publicate pe serverul de preprint arXiv.
Importanța simulărilor cuantice
Simularea calculatoarelor cuantice este esențială pentru dezvoltarea viitoarelor sisteme cuantice. Aceste simulări permit cercetătorilor să verifice rezultatele experimentale și să testeze noi algoritmi cu mult înainte ca mașinile cuantice puternice să devină o realitate. Exemplele de algoritmi care pot beneficia de aceste simulări includ Variational Quantum Eigensolver (VQE), care poate modela molecule și materiale, precum și Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA), utilizat pentru probleme de optimizare în logistică, finanțe și inteligență artificială.
Provocările simulării computere cuante cu hardware clasic
Simularea unui computer cuantic pe hardware convențional reprezintă o provocare enormă. Numărul de stări cuantice posibile crește exponențial: fiecare bit cuantic (qubit) suplimentar dublează atât cerințele de calcul cât și pe cele de memorie. De exemplu, aproximativ 30 de qubiți pot fi gestionați pe un laptop standard, dar simularea a 50 de qubiți necesită aproximativ 2 petabytes de memorie—aproximativ două milioane de gigaocteți. „Numai cele mai mari supercomputere din lume pot oferi această capacitate,” afirmă Prof. Kristel Michielsen, director al Centrului de Supercalcul Jülich.
Simularea reproduce în detaliu fizica cuantică complexă a unui procesor real. Fiecare operațiune—precum aplicarea unei porți cuantice—afectează peste 2 kvadrilioane de valori numerice complexe. Aceste valori trebuie sincronizate între mii de noduri de calcul pentru a replica precis funcționarea unui procesor cuantic real.
Breakthrough thanks to new memory technology
Recordul a fost realizat posibil prin cuplarea strânsă a unităților centrale de procesare (CPU) și a unităților de procesare grafică (GPU) în supercipurile NVIDIA GH200, utilizate în supercomputerul JUPITER. Acest design permite stocarea temporară a datelor care depășesc limitele memoriei GPU în memoria CPU, cu o pierdere minimă de performanță.
Pentru a valorifica acest sistem de memorie hibrid, specialiștii de la Laboratorul de Aplicații NVIDIA—o inițiativă între Centrul de Supercalcul Jülich (JSC) și NVIDIA—au îmbunătățit software-ul de simulare Jülich Universal Quantum Computer Simulator (JUQCS). Noua versiune, JUQCS-50, efectuează acum operațiuni cuantice eficient chiar și atunci când părți din date sunt transferate pe CPU.
Integrarea în infrastructura cuantică de la Jülich
JUQCS-50 va fi, de asemenea, accesibil instituțiilor de cercetare externe și companiilor prin intermediul JUNIQ—Infrastructura UNificată Jülich pentru Calculul Cuantic. Acesta va servi atât ca unelte de cercetare cât și ca un standard de referință pentru viitoarele supercomputere.
Dezvoltarea a avut loc în cadrul Programului de Cercetare și Acces Timpuriu JUPITER (JUREAP). „Prin colaborarea timpurie, hardware-ul și software-ul au fost proiectate împreună în timpul construcției lui JUPITER, într-o colaborare strânsă între experții din Jülich și NVIDIA—un pas important spre realizarea întregului potențial al acestui sistem exascale,” explică Dr. Andreas Herten, un membru al echipei de proiect JUPITER Jülich și coautor al studiului.
Pentru mai multe informații, consultați studiul lui Hans De Raedt și colegii săi, intitulat „Simularea cuantică universală a 50 de qubiți pe primul supercomputer exascale din Europa”.
