Pesquisadores do Jülich Supercomputing Center e da NVIDIA alcançaram um marco importante na computação quântica ao simular totalmente um computador quântico universal de 50 qubit pela primeira vez. A conquista foi possível graças ao JUPITER, o primeiro supercomputador em exoescala da Europa, que foi lançado oficialmente no Forschungszentrum Jülich em setembro passado.
A conquista supera o recorde anterior de 48 qubits, que também foi estabelecido pelos cientistas da Jülich em 2019 usando o computador japonês K. Além de estabelecer um novo marco, esta descoberta destaca o enorme potencial do JUPITER e pode acelerar o desenvolvimento de futuros algoritmos e tecnologias quânticas.
Por que a modelagem quântica é importante
Simulações quânticas de computador desempenham um papel importante no desenvolvimento da pesquisa quântica. Os cientistas os usam para testar algoritmos, confirmar descobertas experimentais e estudar como os sistemas quânticos futuros podem se comportar antes que o hardware real se torne poderoso o suficiente para realizar tais tarefas.
Alguns dos algoritmos de interesse dos pesquisadores incluem o eigensolver quântico variacional (VQE), que pode auxiliar no estudo de 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 problema de modelar sistemas quânticos
Recriar um computador quântico em um supercomputador tradicional é extremamente difícil porque a 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 executar uma simulação usando cerca de 30 qubits. No entanto, simular 50 qubits requer cerca de 2 petabytes de memória, o que equivale a aproximadamente dois milhões de gigabytes.
“Apenas os maiores supercomputadores do mundo oferecem agora tanto”, diz o professor Christel Mikhilsen, diretor do Jülich Supercomputing Center. “Este caso de uso mostra o quão intimamente interligados estão os avanços atuais na computação de alto desempenho e na pesquisa quântica.”
A simulação simula o comportamento quântico detalhado de um processador real. Cada operação – como a aplicação de uma porta quântica – afeta mais de 2 quatrilhões de valores numéricos complexos, “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 gravação
A descoberta dependeu fortemente dos superchips NVIDIA GH200 usados no sistema JUPITER. Esses chips acoplam firmemente unidades de processamento central (CPUs) e unidades de processamento gráfico (GPUs), permitindo que dados que excedam a capacidade de memória da GPU sejam armazenados temporariamente na memória da CPU, mantendo o alto desempenho.
Para aproveitar essa arquitetura, os engenheiros do NVIDIA Applications Lab – 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 quando alguns dados são 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, bem como um sistema de otimização dinâmica que melhora continuamente a troca de dados entre mais de 16.000 superchips GH200.
“Com o JUQCS-50, podemos emular computadores quânticos universais com alta precisão e resolver problemas que nenhum processador quântico existente ainda pode resolver”, diz o professor Hans De Redt, 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 ele sirva tanto como ferramenta científica quanto como referência para avaliar futuros supercomputadores.
O projeto foi desenvolvido como parte do Programa JUPITER de Pesquisa e Acesso Antecipado (JUREAP). “Graças à colaboração inicial, o hardware e o software podem ser co-desenvolvidos durante a fase de construção do JUPITER, em estreita colaboração entre os especialistas da Jülich e a NVIDIA – um passo importante para concretizar todo o potencial deste sistema de exoescala”, explica o Dr. Andreas Herten, membro da equipa do projecto Jülich JUPITER e co-autor do estudo.
JUPITER recebe financiamento conjunto de diversas 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), e o quarto restante vem do Ministério da Cultura e Ciência da Renânia do Norte-Vestfália (MKW NRW) através do Gauss Supercomputer Center (GCS).
