Pesquisadores do Jülich Supercomputing Center e da NVIDIA alcançaram um marco importante no campo da computação quântica ao simular completamente um computador quântico universal com 50 qubits pela primeira vez. Esta conquista foi alcançada através do JUPITER, o primeiro supercomputador exaescale da Europa, que foi lançado oficialmente no Centro de Pesquisa Jülich em setembro do ano passado.
Esta conquista supera o recorde anterior de 48 qubits estabelecido pelos cientistas de Jülich em 2019 usando o computador K do Japão. Além de estabelecer uma nova referência, este avanço destaca as vastas capacidades do JUPITER e pode acelerar o desenvolvimento de futuros algoritmos e tecnologias quânticas.
Por que a simulação quântica é importante
Simulações de computadores quânticos desempenham um papel vital no avanço da pesquisa quântica. Os cientistas os usam para testar algoritmos, verificar resultados experimentais e explorar como os sistemas quânticos futuros poderão funcionar antes que o hardware real se torne poderoso o suficiente para lidar com tais tarefas.
Alguns algoritmos de interesse dos pesquisadores incluem o eigensolver quântico variacional (VQE), que ajuda a estudar moléculas e materiais, e o algoritmo de otimização quântica aproximada (QAOA), projetado para resolver problemas de otimização em áreas como logística, finanças e inteligência artificial.
O grande desafio de simular sistemas quânticos
Recriar um computador quântico sobre um supercomputador convencional é extremamente exigente porque sua complexidade cresce exponencialmente com cada qubit adicionado. Cada novo qubit duplica a memória e o poder de computação necessários para a simulação.
Um laptop padrão pode gerenciar simulações envolvendo cerca de 30 qubits. No entanto, simular 50 qubits requer cerca de 2 petabytes de memória, equivalente a cerca de 2 milhões de gigabytes.
“Atualmente, apenas os maiores supercomputadores do mundo podem fornecer tantas funções”, disse o professor Kristel Michielsen, diretor do Jülich Supercomputing Center. “Este caso de uso ilustra o quão intimamente interligados estão os avanços atuais na computação de alto desempenho e na pesquisa quântica.”
Esta simulação simula o comportamento quântico detalhado de um processador real. Cada operação (como a aplicação de uma porta quântica) afeta mais de 2 trilhões de valores complexos, ou “2” com 15 zeros. Esses valores devem ser sincronizados em milhares de nós de computação para reproduzir com precisão o comportamento de um processador quântico real.
Superchip NVIDIA GH200 bate recorde
Essa inovação depende muito do superchip NVIDIA GH200 usado no sistema JUPITER. Esses chips conectam firmemente a unidade central de processamento (CPU) e a unidade de processamento gráfico (GPU), permitindo que dados que excedem a capacidade da memória da GPU sejam armazenados temporariamente na memória da CPU, mantendo o alto desempenho.
Para aproveitar essa arquitetura, os engenheiros do NVIDIA Applications Laboratory, uma iniciativa entre o Jülich Supercomputing Center (JSC) e a NVIDIA, atualizaram o software de simulação quântica da Jülich, o Jülich Universal Quantum Computer Simulator (JUQCS). A versão atualizada, chamada JUQCS-50, pode realizar cálculos quânticos com eficiência, mesmo que alguns dados sejam transferidos para a memória da CPU.
Os pesquisadores também introduziram uma técnica de compressão codificada em bytes que reduz os requisitos de memória em um oitavo e um sistema de otimização dinâmica que melhora continuamente a troca de dados entre os mais de 16.000 superchips GH200.
“Com o JUQCS-50, podemos simular um computador quântico universal com alta fidelidade e resolver problemas que os processadores quânticos existentes ainda não conseguem resolver”, disse o professor Hans De Raedt do Jülich Supercomputing Center e principal autor do estudo, que foi publicado como uma pré-impressão.
Expandindo o escopo da pesquisa quântica
O JUQCS-50 também será disponibilizado para organizações e empresas de pesquisa externas através do JUNIQ (Jülich Unified Infrastructure for Quantum Computing). Os pesquisadores esperam que ele possa servir tanto como ferramenta científica quanto como referência para avaliar futuros supercomputadores.
O projeto faz parte do Programa JUPITER de Pesquisa e Acesso Antecipado (JUREAP). Andreas Herten, membro da equipe do projeto Jülich JUPITER e coautor do estudo, explicou: “Através da colaboração inicial, os especialistas da Jülich e a NVIDIA trabalharam em estreita colaboração para projetar conjuntamente o hardware e o software durante a fase de construção do JUPITER, o que é um passo importante para concretizar todo o potencial deste sistema exascale”.
JUPITER é cofinanciado por várias organizações. Metade do financiamento provém do Grupo Conjunto Europeu de Computação de Alto Desempenho (EuroHPC JU). Um quarto é fornecido pelo Ministério Federal de Pesquisa, Tecnologia e Espaço (BMFTR, antigo BMBF), e o quarto restante é fornecido pelo Ministério da Cultura e Ciência da Renânia do Norte-Vestfália (MKW NRW) através do Centro de Supercomputação Gauss (GCS).
