Racks di JUPITER.
Il supercomputer JUPITER del Forschungszentrum Jülich ha stabilito un record mondiale simulando un computer quantistico universale da 50 qubit, segnando un passo decisivo nel quantum computing europeo
Supercomputer JUPITER: nuovo record mondiale con 50 qubit simulati.
Un team di ricerca presso il Jülich Supercomputing Centre, insieme a esperti di NVIDIA, ha stabilito un nuovo record nella simulazione quantistica: per la prima volta, un computer quantistico universale con 50 qubit è stato completamente simulato - un’impresa realizzata sul primo supercomputer exascale d’Europa, JUPITER, inaugurato al Forschungszentrum Jülich a settembre.
Il risultato supera il precedente record mondiale di 48 qubit, stabilito dai ricercatori di Jülich nel 2019 sul computer K del Giappone. Esso mette in evidenza l’immensa potenza di calcolo di JUPITER e apre nuovi orizzonti per lo sviluppo e il test di algoritmi quantistici.
Le simulazioni di computer quantistici sono fondamentali per lo sviluppo dei futuri sistemi quantistici. Esse consentono ai ricercatori di verificare i risultati sperimentali e di testare nuovi algoritmi molto prima che potenti macchine quantistiche diventino realtà. Tra questi vi sono il Variational Quantum Eigensolver (VQE), che può modellare molecole e materiali, e il Quantum Approximate Optimisation Algorithm (QAOA), utilizzato per problemi di ottimizzazione nella logistica, nella finanza e nell’intelligenza artificiale.
Questo risultato va oltre il record mondiale precedente di 48 qubit. I ricercatori di Jülich lo avevano stabilito nel 2019, lavorando sul computer K in Giappone. In questo modo si vede chiaramente quanta potenza di calcolo ha JUPITER. Allo stesso tempo apre possibilità nuove per sviluppare e provare algoritmi quantistici.
Le simulazioni sui computer quantistici hanno un valore reale per lo sviluppo dei sistemi quantistici che arriveranno. Esse permettono ai ricercatori di controllare i risultati degli esperimenti. Possono anche testare algoritmi nuovi molto prima che le macchine quantistiche potenti diventino una cosa reale. Tra questi algoritmi c'è il Variational Quantum Eigensolver, (VQE). Questo serve a modellare molecole e materiali. Poi c'è il Quantum Approximate Optimisation Algorithm (QAOA). Lo impiegano per risolvere problemi di ottimizzazione in campi come la logistica. Vale lo stesso per la finanza e l'intelligenza artificiale.
Spingere i limiti del calcolo classico
Simulare un computer quantistico su hardware convenzionale è una sfida enorme. Il numero di possibili stati quantistici aumenta in modo esponenziale: ogni qubit aggiuntivo, abbreviazione di quantum bit, raddoppia sia i requisiti di calcolo sia quelli di memoria.
Mentre circa 30 qubit possono ancora essere gestiti su un normale laptop, la simulazione di 50 qubit richiede circa 2 petabyte - all’incirca due milioni di gigabyte - di memoria. «Solo i più grandi supercomputer del mondo offrono attualmente una tale capacità», afferma la professoressa Kristel Michielsen (1), direttrice del Jülich Supercomputing Centre. «Questo caso d’uso illustra quanto strettamente siano oggi intrecciati i progressi nel calcolo ad alte prestazioni e nella ricerca quantistica».
La simulazione riproduce nei minimi dettagli la complessa fisica quantistica di un vero processore. Ogni operazione - come l’applicazione di una porta quantistica - influisce su più di 2 quadrilioni di valori numerici complessi, un “2” seguito da 15 zeri. Questi valori devono essere sincronizzati tra migliaia di nodi di calcolo per replicare con precisione il funzionamento di un vero processore quantistico.
Svolta resa possibile da una nuova tecnologia di memoria
Il record è stato reso possibile dal stretto accoppiamento tra unità di elaborazione centrale (CPU) e unità di elaborazione grafica (GPU) nei Superchip NVIDIA GH200, utilizzati nel supercomputer JUPITER. Questo design consente ai dati che superano i limiti di memoria della GPU di essere temporaneamente archiviati nella memoria della CPU con una perdita minima di prestazioni.
Per sfruttare questo sistema di memoria ibrida, gli specialisti del NVIDIA Application Lab - un’iniziativa tra il Jülich Supercomputing Centre (JSC) e NVIDIA - hanno migliorato il software di simulazione di Jülich, il Jülich Universal Quantum Computer Simulator (JUQCS). La nuova versione, JUQCS-50, ora esegue operazioni quantistiche in modo efficiente anche quando parte dei dati viene trasferita alla CPU.
Ulteriori innovazioni includono un metodo di compressione con codifica a byte che riduce di otto volte i requisiti di memoria e un algoritmo dinamico che ottimizza continuamente lo scambio di dati tra più di 16.000 Superchip GH200.
«Con JUQCS-50 possiamo emulare computer quantistici universali con alta fedeltà e affrontare questioni che nessun processore quantistico esistente può ancora risolvere», afferma il professor Hans De Raedt del Jülich Supercomputing Centre e autore principale dello studio pubblicato su arXiv (2).
Integrazione nell’infrastruttura quantistica di Jülich
JUQCS-50 sarà inoltre accessibile a istituzioni di ricerca esterne e aziende tramite JUNIQ – la Jülich UNified Infrastructure for Quantum Computing. Esso fungerà sia da strumento di ricerca sia da benchmark per i futuri supercomputer.
Lo sviluppo ha avuto luogo nell’ambito del JUPITER Research and Early Access Programme (JUREAP). «Grazie alla collaborazione anticipata, hardware e software hanno potuto essere co-progettati durante la fase di costruzione di JUPITER, in stretta cooperazione tra gli esperti di Jülich e NVIDIA - un passo importante verso la realizzazione del pieno potenziale di questo sistema exascale», spiega il dottor Andreas Herten, membro del team di progetto JUPITER di Jülich e co-autore dello studio.
JUPITER è finanziato congiuntamente, con metà dei fondi forniti dalla European High Performance Computing Joint Undertaking (EuroHPC JU), un quarto proveniente dal Ministero Federale della Ricerca, della Tecnologia e dello Spazio (BMFTR, precedentemente BMBF), e un quarto dal Ministero della Cultura e della Scienza dello Stato della Renania Settentrionale-Vestfalia (MKW NRW) tramite il Gauss Centre for Supercomputing (GCS).
Riferimenti:
(3) Andreas Herten
Descrizione foto: Vista tra i racks di JUPITER. - Credit: Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: New Record on JUPITER: Simulating a 50-Qubit Quantum Computer