Pesquisadores do Jülich Supercomputing Center e da NVIDIA alcançaram um marco importante na computação quântica ao simular totalmente um computador quântico universal com 50 qubits pela primeira vez. A conquista foi possível graças ao primeiro supercomputador em exaescala da Europa, Júpiter, que foi lançado oficialmente em setembro passado no Forschungszentrum Julich.
A conquista supera o recorde anterior de 48 qubits, estabelecido pelos cientistas da Jülich em 2019 usando o computador K do Japão. Além de estabelecer uma nova referência, o avanço destaca as enormes capacidades de Júpiter e poderá acelerar o desenvolvimento de futuros algoritmos e tecnologias quânticas.
Por que a simulação quântica é importante
Simulações quânticas de computador desempenham um papel importante no avanço da pesquisa quântica. Os cientistas os usam para testar algoritmos, verificar resultados experimentais e explorar como os sistemas quânticos futuros podem se comportar antes que o hardware real seja poderoso o suficiente para lidar com tais tarefas.
Alguns dos algoritmos que os pesquisadores exploraram incluem o eigensolver quântico variacional (VQE), que pode ajudar 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 enorme desafio de simular sistemas quânticos
Reconstruir um computador quântico em um supercomputador tradicional é extremamente exigente porque a complexidade aumenta exponencialmente com cada qubit adicionado. Cada novo qubit duplica a memória e o poder de computação necessários para a simulação.
Um laptop padrão pode lidar com simulações envolvendo cerca de 30 qubits. A simulação de 50 qubits, entretanto, requer cerca de 2 petabytes de memória, o que equivale a cerca de dois milhões de gigabytes.
“Atualmente, apenas os maiores supercomputadores do mundo oferecem isso”, disse o professor Christel Mitchelsen, diretor do Jülich Supercomputing Center. “Este caso de uso ilustra como os avanços na computação de alto desempenho e na pesquisa quântica estão intimamente ligados hoje.”
A simulação modela o comportamento quântico detalhado de um processador real. Cada operação – como a aplicação de uma porta quântica – afeta 2 quatrilhões de valores numéricos complexos, um “2” com 15 zeros. Esses valores devem permanecer sincronizados em milhares de nós de computação para reproduzir com precisão o comportamento de um processador quântico real.
Superchips NVIDIA GH200 permitiram o recorde
A inovação depende muito dos superchips NVIDIA GH200 usados nos sistemas Júpiter. Esses chips acoplam firmemente a unidade central de processamento (CPU) e a unidade de processamento gráfico (GPU), permitindo que mais dados sejam armazenados temporariamente na memória da CPU do que a memória da GPU pode suportar, mantendo o alto desempenho.
Para aproveitar essa arquitetura, os engenheiros do NVIDIA Applications Lab — um empreendimento 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 de codificação de bytes que reduz os requisitos de memória em um fator de oito, juntamente com um sistema de otimização dinâmica que melhora continuamente a troca de dados entre os 16.000 superchips GH200.
“Com o JUQCS-50, podemos simular computadores quânticos universais com alta fidelidade e resolver questões que nenhum processador quântico existente pode resolver ainda”, disse Hans de Red, professor do Jülich Supercomputing Center e principal autor do estudo publicado como pré-impressão.
Expandindo o acesso à pesquisa quântica
O JUQCS-50 também será disponibilizado para organizações e empresas de pesquisa externas por meio do JUNIQ – a Infraestrutura Unificada Jülich para Computação Quântica. Os pesquisadores esperam que sirva tanto como ferramenta científica quanto como referência para avaliar futuros supercomputadores.
O projeto foi desenvolvido como parte do Programa de Pesquisa e Acesso Antecipado de Júpiter (JUREAP). “Através da colaboração inicial, uma estreita colaboração entre os especialistas em hardware e software Julich e a NVIDIA pode ser co-projetada durante a fase de construção do Julich – um passo importante para concretizar todo o potencial deste sistema exascale”, explicou o membro da equipe do projeto Julich Júpiter e coautor do estudo, Dr.
Júpiter recebe financiamento conjunto de várias organizações. Metade do financiamento provém da Empresa Comum Europeia para a Computação de Alto Desempenho (EuroHPC JU). Um quarto é fornecido pelo Ministério Federal de Pesquisa, Tecnologia e Espaço (BMFTR, antigo BMBF), o outro quarto vem do Ministério da Cultura e Ciência do Estado da Renânia do Norte-Vestfália (MKW NRW) através do Centro Gauss de Supercomputação (GCS).
