|
Моделирование 50-кубитного квантового компьютера
|
|
|
|
Исследовательская группа из суперкомпьютерного центра Юлиха совместно с экспертами NVIDIA установила новый рекорд в области квантового моделирования: впервые было проведено полное моделирование универсального квантового компьютера с 50 кубитами — достижение, достигнутое на первом в Европе суперкомпьютере exascale, JUPITER, который был открыт в Forschungszentrum в Юлихе в сентябре.
|
|
|
|
Полученный результат превосходит предыдущий мировой рекорд в 48 кубитов, установленный исследователями из Юлиха в 2022 году на японском компьютере K. Это демонстрирует огромную вычислительную мощность JUPITER и открывает новые горизонты для разработки и тестирования квантовых алгоритмов. Исследование опубликовано на сервере препринтов arXiv.
|
|
|
|
Квантовое компьютерное моделирование жизненно важно для разработки будущих квантовых систем. Оно позволяет исследователям проверять результаты экспериментов и тестировать новые алгоритмы задолго до того, как мощные квантовые машины станут реальностью. Среди них вариационный квантовый решатель собственных значений (VQE), который может моделировать молекулы и материалы, и квантовый алгоритм приближенной оптимизации (QAOA), используемый для решения задач оптимизации в логистике, финансах и искусственном интеллекте.
|
|
|
|
Расширяя возможности классических вычислений.
|
|
|
|
Моделирование квантового компьютера на обычном оборудовании представляет собой огромную проблему. Число возможных квантовых состояний увеличивается экспоненциально: каждый дополнительный квантовый бит, или сокращенно кубит, удваивает как требования к вычислениям, так и требования к памяти.
|
|
|
|
|
|
|
В то время как на стандартном ноутбуке все еще можно обрабатывать около 30 кубитов, для моделирования 50 кубитов требуется около 2 петабайт — примерно два миллиона гигабайт — памяти. "Только крупнейшие в мире суперкомпьютеры в настоящее время предлагают столько", - говорит профессор Дж. Кристель Михельсен, директор суперкомпьютерного центра в Юлихе. "Этот пример использования иллюстрирует, насколько тесно сегодня переплетены прогресс в области высокопроизводительных вычислений и квантовых исследований".
|
|
|
|
Симуляция воспроизводит сложную квантовую физику реального процессора во всех деталях. Каждая операция, например, применение квантового вентиля, влияет на более чем 2 квадриллиона комплексных числовых значений, "2" с 15 нулями. Эти значения должны быть синхронизированы на тысячах вычислительных узлов, чтобы точно воспроизвести работу реального квантового процессора.
|
|
|
|
Прорыв, достигнутый благодаря новой технологии памяти
|
|
|
|
Этот рекорд стал возможен благодаря тесному взаимодействию центральных процессоров (CPU) и графических процессоров (GPU) в суперчипах NVIDIA GH200, которые используются в суперкомпьютере JUPITER. Такая конструкция позволяет временно сохранять данные, превышающие пределы памяти графического процессора, в памяти центрального процессора с минимальной потерей производительности.
|
|
|
|
Чтобы использовать эту гибридную систему памяти, специалисты лаборатории приложений NVIDIA — совместной инициативы Юлихского суперкомпьютерного центра (АО) и NVIDIA — усовершенствовали программное обеспечение для моделирования Julich Universal Quantum Computer Simulator (JUQCS). Новая версия, JUQCS-50, теперь эффективно выполняет квантовые операции, даже когда часть данных загружается в центральный процессор.
|
|
|
|
Другие инновации включают метод сжатия в байтовом кодировании, который в восемь раз снижает требования к памяти, и динамический алгоритм, который постоянно оптимизирует обмен данными между более чем 16 000 суперчипами GH200.
|
|
|
|
"С помощью JUQCS-50 мы можем эмулировать универсальные квантовые компьютеры с высокой точностью и решать задачи, которые пока не может решить ни один из существующих квантовых процессоров", - говорит проф. Ханс Де Редт из суперкомпьютерного центра Юлиха и ведущий автор исследования, опубликованного в виде препринта.
|
|
|
|
Интеграция в квантовую инфраструктуру Юлиха
|
|
|
|
JUQCS-50 также будет доступен для внешних исследовательских институтов и компаний через JUNIQ — объединенную инфраструктуру квантовых вычислений в Юлихе. Он будет служить как исследовательским инструментом, так и эталоном для будущих суперкомпьютеров.
|
|
|
|
Разработка проводилась в рамках программы исследований и раннего доступа JUPITER (JUREAP). "Благодаря сотрудничеству на начальном этапе, аппаратное и программное обеспечение могло быть совместно разработано на этапе строительства JUPITER в тесном сотрудничестве между экспертами Julich и NVIDIA, что стало важным шагом на пути к полной реализации потенциала этой масштабируемой системы", - объясняет доктор Андреас Хертен, член проектной группы Julich JUPITER и соавтор кабинет.
|
|
|
|
Источник
|
