Европейский суперкомпьютер Jupiter, в сентябре в Юлихском центре сверхвычислений (Julich Supercomputing Centre, JSC) был запущен проект, который сразу же побил мировой рекорд в области классического моделирования квантовых схем. Специалисты JSC, работая в сотрудничестве с Nvidia, провели полную симуляцию универсального квантового компьютера, содержащего 50 кубитов, что стало новым максимумом – ранее в Юлихе был достигнут показатель в 48 кубитов. Эта работа демонстрирует предельные возможности классических вычислений и позволяет разрабатывать квантовые алгоритмы ещё до появления широкодоступных и надёжных квантовых компьютеров.

Моделирование универсального квантового процессора имеет основополагающее значение для создания квантовых технологий будущего. Благодаря точным моделям исследователи могут проверять методы, применяемые в квантовой химии и материаловедении, например, VQE (вариационный квантовый решатель собственных значений), а также алгоритмы оптимизации, такие как QAOA (квантовый приближённый алгоритм оптимизации). Хотя эти подходы разрабатываются для использования на реальных квантовых устройствах, текущие устройства пока не обладают достаточной стабильностью и масштабируемостью, поэтому классические суперкомпьютеры становятся важной платформой для тестирования.

Основная трудность заключается в том, что вычислительные ресурсы, необходимые для классического моделирования квантового компьютера, растут экспоненциально: при подключении каждого нового кубита, объём необходимой памяти и количество выполняемых операций увеличивается вдвое. Даже обычный ноутбук не сможет справиться с задачей, если речь идёт о 30 кубитах. Для работы с 50 кубитами потребовалось около 2 петабайт памяти и использование архитектуры Jupiter, включающей тысячи модулей Nvidia GH200.

Симулятор, разработанный на платформе Jupiter, позволяет с высокой точностью имитировать работу настоящего квантового процессора. Каждое квантовое логическое действие, или квантовый вентиль, оказывает влияние на свыше 2 квадриллионов комплексных амплитуд (приблизительно 2·10 ¹⁵ чисел), которые должны быть согласованы между тысячами вычислительных узлов. Именно такой масштаб делал более ранние попытки моделирования столь крупных систем практически недостижимыми даже для передовых машин.

Прогресс был достигнут за счет использования нового поколения программного обеспечения: версия JUQCS-50 применяет гибридную память, основанную на модулях Nvidia GH200, что позволяет переносить данные между памятью графических и центральных процессоров с незначительными потерями в производительности. Благодаря специальному методу сжатия с использованием байтового кодирования, потребность в памяти снижается в восемь раз, а динамический алгоритм непрерывно оптимизирует передачу данных между более чем 16 000 суперпроцессоров в процессе симуляции.

С JUQCS-50 появилась возможность точной имитации универсальных квантовых компьютеров, что позволяет решать задачи, недоступные для существующих квантовых процессоров

отметил профессор Ханс Де Раедт, ведущий автор работы

Разработанный симулятор станет компонентом инфраструктуры JUNIQ (Единая инфраструктура Юля для квантовых вычислений), посредством которой к нему получат доступ внешние научные коллективы и организации. JUQCS-50 предполагается использовать не только как средство для создания и проверки квантовых алгоритмов, но и как контрольный тест для оценки потенциала суперкомпьютеров будущего поколения.