於利希超級計算中心和 NVIDIA 的研究人員首次完全模擬 50 量子位元通用量子計算機，實現了量子計算領域的一個重要里程碑。這項成就是透過歐洲第一台百億億次超級電腦 JUPITER 實現的，該電腦去年 9 月在於利希研究中心正式啟動。
這項成就超越了 Jülich 科學家在 2019 年使用日本 K 電腦創下的 48 個量子位元的記錄。除了樹立新基準之外，這項突破還凸顯了 JUPITER 的巨大能力，並可能加速未來量子演算法和技術的發展。
為什麼量子模擬很重要？
量子電腦的模擬在推進量子研究方面發揮著至關重要的作用。科學家們用它們來測試演算法，驗證實驗結果，並探索未來的量子系統在真正的硬體變得強大到足以處理此類任務之前可能會如何表現。
研究人員感興趣的一些演算法包括可以幫助研究分子和材料的可變量子特徵求解器（VQE），以及旨在解決物流、金融和人工智慧等領域的最佳化問題的量子近似優化演算法（QAOA）。
模擬量子系統的巨大挑戰
在傳統超級電腦上重建量子電腦要求極高，因為每添加一個量子位，複雜性就會呈指數級增加。每個新的量子位元都會使模擬所需的記憶體和運算能力增加一倍。
一台標準筆記型電腦可以處理涉及大約 30 個量子位元的模擬。然而，模擬 50 個量子位元需要大約 2 PB 記憶體；這大約相當於 200 萬 GB。
Jülich 超級電腦中心主任教授。 「目前，只有世界上最大的超級電腦才能提供這麼多功能，」Kristel Michielsen 說。 “這個用例展示了當今高性能計算和量子研究的進步是多麼緊密地交織在一起。”
此仿真模擬了真實處理器的詳細量子行為。每個操作，例如量子閘的應用，都會影響超過 2 兆個複數值，即帶有 15 個零的「2」。為了準確地再現真實量子處理器的行為，這些值必須在數千個運算節點之間保持同步。
NVIDIA GH200 超級晶片創下紀錄
這項發明主要基於 JUPITER 系統中使用的 NVIDIA GH200 超級晶片。這些晶片緊密互連中央處理單元 (CPU) 和圖形處理單元 (GPU)，允許超出 GPU 記憶體容量的資料暫時儲存在 CPU 記憶體中，同時保持高效能。
NVIDIA 應用實驗室（Jülich 超級運算中心 (JSC) 和 NVIDIA 之間的一項倡議）的工程師升級了 Jülich 的量子模擬軟體 Jülich 通用量子電腦模擬器 (JUQCS)，以利用該架構。更新後的版本稱為 JUQCS-50，即使部分資料傳輸到 CPU 內存，也可以有效率地執行量子運算。
研究人員還引入了位元組編碼壓縮技術，可將記憶體需求降低八分之一，以及動態最佳化系統，可持續改進 16,000 多個 GH200 超級晶片之間的資料交換。
於利希超級計算中心的教授和該研究的主要作者以預印本形式發表。 Hans De Raedt 表示：“借助 JUQCS-50，我們可以高精度模擬通用量子計算機，並解決現有量子處理器無法解決的問題。”
擴大量子研究的範圍
JUQCS-50 也將透過 JUNIQ（Jülich 量子運算統一基礎設施）提供給外部研究組織和公司。研究人員希望它既可以作為科學工具，也可以作為評估未來超級電腦的參考點。
該計畫是 JUPITER 研究和早期訪問計劃 (JUREAP) 的一部分。 Jülich博士是JUPITER計畫團隊的成員，也是研究的作者之一。 「由於早期的合作，Jülich 專家和 NVIDIA 密切合作，可以在 JUPITER 的建造階段共同設計硬體和軟體，這是釋放這一百億億次系統全部潛力的重要一步，」Andreas Herten 解釋道。
JUPITER 獲得多個組織的共同資助。一半的資金來自歐洲高效能運算聯合組織 (EuroHPC JU)。四分之一由聯邦研究、技術和太空部（BMFTR，以前稱為 BMBF）提供，其餘四分之一則透過高斯超級計算中心（GCS）由北萊茵-威斯特法倫州文化和科學部（MKW NRW）提供。
