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。這項成就是利用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亮相。
這項成就超越了 Jülich 科學家於 2019 年使用日本 K 電腦創下的 48 個量子位元的紀錄。除了樹立新的基準之外，這項突破還凸顯了 JUPITER 令人難以置信的能力，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
量子電腦模擬在推進量子研究方面發揮重要作用。科學家們用它們來測試演算法，驗證實驗結果，並研究在真實硬體強大到足以處理這些任務之前未來量子系統的行為。
研究人員感興趣的演算法包括可以幫助分析分子和材料的變分量子特徵求解器（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
將量子電腦重新創建為傳統的超級電腦是非常困難的，因為隨著每個量子位元的添加，複雜性呈指數級增長。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 內存，即大約 200 萬 GB。
於利希超級計算中心主任 Kristel Michielsen 教授表示：“如今，只有世界上最大的超級電腦才能提供如此多的功能。” “這個用例展示了當今高性能計算和量子研究的進步是如何联系在一起的。”
此仿真模擬了真實處理器的精確量子行為。每個操作（例如應用量子閘）都會產生超過 2 兆個複數值，即帶有 15 個零的「2」。這些值必須在數千個運算節點之間同步，才能準確地重現真實量子處理器的行為。
NVIDIA GH200 Superchips 已啟用日誌記錄
這項突破是基於 JUPITER 系統中使用的 NVIDIA GH200 超級晶片。這些晶片將中央處理單元（CPU）和圖形處理單元（GPU）緊密連接，使得超出GPU記憶體容量的資料可以暫時儲存在CPU記憶體中，同時保持高效能。
為了利用這種架構，NVIDIA 應用實驗室（Jülich 超級計算中心 (JSC) 和 NVIDIA 之間的一項計劃）的工程師改進了 Jülich 的量子模擬軟體 Jülich 通用量子電腦模擬器 (JUQCS)。更新後的版本稱為 JUQCS-50，即使某些資料傳輸到 CPU 內存，也可以有效率地執行量子運算。
研究人員還引入了一種位元組編碼技術，可將記憶體需求降低八倍，以及一個動態優化系統，可持續改進 16,000 多個 GH200 超級晶片之間的資料交換。
「借助 JUQCS-50，我們可以模擬高保真通用量子計算機，並解決迄今為止現有量子處理器無法解決的問題，」於利希超級計算中心的 Hans De Raedt 教授和該研究的主要作者說道，該研究已作為預印本發表。
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。研究人員希望它將作為評估未來超級電腦的科學和參考工具。
該計畫是在 JUPITER 研究和早期訪問計劃 (JUREAP) 內開發的。 Jülich JUPITER 專案團隊成員、該研究的合著者 Andreas Herten 博士解釋道：「得益於早期的合作，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，這是充分發揮這一百億次系統潛力的重要一步。”
JUPITER 獲得多個機構的共同資助。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，其餘四分之一由北萊茵-威斯特法倫州文化和科學部（MKW NRW）透過高斯超級計算中心（GCS）提供。
