Суперкомпьютер из Германии побил мировой квантовый рекорд
Ученые из Юлихского суперкомпьютерного центра (JSC) в Германии совместно с инженерами NVIDIA впервые смогли полностью смоделировать 50-кубитный универсальный квантовый компьютер на классической системе. Исследование опубликовано на arXiv и уже рассматривается как важная веха в области высокопроизводительных вычислений, позволяющая опережать возможности современных квантовых процессоров.
Суперкомпьютер JUPITER, эксафлопсного класса и крупнейший в Европе, превзошел предыдущий рекорд в 48 кубитов, также установленный специалистами из Юлиха. Каждый новый кубит удваивает требования к памяти и вычислительным ресурсам, что делает классическое моделирование квантовых цепей чрезвычайно сложным. Для 50-кубитной симуляции потребовалось порядка двух петабайт оперативной памяти и максимальная загрузка суперчипов GH200, в то время как обычный ноутбук способен работать лишь с 30 кубитами.
Масштаб и точность симуляции
«Только крупнейшие суперкомпьютеры способны на подобное», — отметила профессор Кристель Михильсен.
Симулятор JUQCS-50 воспроизводит физику квантового процессора с высокой точностью. Каждый квантовый вентиль обрабатывает более двух квадриллионов комплексных чисел, распределенных по тысячам узлов, что ранее делало такие расчёты практически невозможными.
JUQCS-50 применяет гибридную архитектуру памяти GH200, временно выгружая данные с графических процессоров в память центрального процессора без существенной потери скорости. Новая система сжатия байтов уменьшает потребление памяти в восемь раз, а динамическая оптимизация потоков данных обеспечивает синхронизацию между более чем 16 000 суперчипов, что критично для моделирования сложных квантовых цепей.
Испытательный полигон для квантовых алгоритмов
Моделирование на 50 кубитах позволяет исследовать методы молекулярного моделирования, включая вариационный квантовый решатель собственных чисел (VQE), а также алгоритмы оптимизации, например QAOA. Такие эксперименты дают возможность проверять эффективность квантовых алгоритмов и исследовать их поведение до появления зрелых квантовых процессоров, способных работать с десятками или сотнями кубитов.
«С помощью JUQCS-50 мы можем эмулировать универсальные квантовые компьютеры и решать задачи, которые недоступны современным квантовым процессорам», — подчеркнул профессор Ханс де Рэдт, ведущий автор исследования.
Архитектура и будущее квантовых вычислений
Моделирование будет интегрировано в JUNIQ, унифицированную инфраструктуру квантовых вычислений Юлиха, открытую для исследователей и компаний. Проект вырос из программы JUREAP, в рамках которой аппаратное и программное обеспечение JUPITER разрабатывалось совместно с инженерами NVIDIA на стадии строительства суперкомпьютера.
«Совместная разработка позволила оптимально интегрировать программные решения в аппаратную платформу», — отметил доктор Андреас Хертен.
Это достижение показывает, как тесно связаны мощные классические суперкомпьютеры и квантовые исследования. JUPITER позволяет ученым пробовать новые алгоритмы, наблюдать, как ведут себя кубиты, и совершенствовать схемы квантовых цепей, прежде чем такие эксперименты можно будет проводить на реальных квантовых машинах. Появление таких симуляторов ускоряет развитие квантовой науки и готовит почву для будущих практических квантовых компьютеров.
50-кубитное моделирование служит эталоном для будущих суперкомпьютеров и квантовых симуляторов. Оно позволяет проверять работу сложных алгоритмов в реальном масштабе, выявлять потенциальные ошибки в моделях и исследовать перспективные подходы к квантовым вычислениям задолго до появления массовых квантовых устройств.
«Достижение JUPITER — это важный шаг на пути к интеграции квантовых и классических вычислений и закладывает основу для будущих исследований, которые раньше были невозможны», — заключил Хертен.
