Il supercomputer JUPITER batte il record mondiale con una simulazione quantistica a 50 qubit.

Questo risultato supera il precedente record di 48 qubit, stabilito anch’esso dagli scienziati di Jülich nel 2019 utilizzando il supercomputer K giapponese. Oltre a stabilire un nuovo punto di riferimento, questa innovazione evidenzia le enormi capacità di JUPITER e potrebbe accelerare lo sviluppo di futuri algoritmi e tecnologie quantistiche.

Perché le simulazioni quantistiche sono importanti

Le simulazioni di computer quantistici svolgono un ruolo fondamentale nel progresso della ricerca quantistica. Gli scienziati le utilizzano per testare algoritmi, convalidare risultati sperimentali ed esplorare il possibile comportamento dei futuri sistemi quantistici prima che l’hardware reale diventi sufficientemente potente da gestire tali compiti.

Tra gli algoritmi che interessano i ricercatori figurano il Variational Quantum Eigensolver (VQE), utile per lo studio di molecole e materiali, e il Quantum Approximate Optimisation Algorithm (QAOA), progettato per risolvere problemi di ottimizzazione in settori quali la logistica, la finanza e l’intelligenza artificiale.

L’enorme sfida della simulazione dei sistemi quantistici

Ricreare un computer quantistico su un supercomputer tradizionale è estremamente impegnativo perché la complessità cresce esponenzialmente con ogni qubit aggiunto. Ogni nuovo qubit raddoppia sia la memoria che la potenza di calcolo necessarie per la simulazione.

Un normale laptop può gestire simulazioni che coinvolgono circa 30 qubit. Simulare 50 qubit, tuttavia, richiede circa 2 petabyte di memoria, pari a circa due milioni di gigabyte.

“Attualmente solo i supercomputer più potenti al mondo offrono prestazioni di questo livello”, afferma la Prof.ssa Kristel Michielsen, Direttrice del Centro di Supercalcolo di Jülich. “Questo caso d’uso dimostra quanto strettamente siano interconnessi oggi i progressi nel calcolo ad alte prestazioni e nella ricerca quantistica.”

La simulazione modella il comportamento quantistico dettagliato di un processore reale. Ogni operazione, come l’applicazione di una porta quantistica, influenza più di 2 quadrilioni di valori numerici complessi, un “2” con 15 zeri. Questi valori devono rimanere sincronizzati su migliaia di nodi di calcolo per riprodurre accuratamente il comportamento di un processore quantistico reale.

I superchip NVIDIA GH200 hanno permesso di stabilire il record.

La svolta si è basata in gran parte sui superchip NVIDIA GH200 utilizzati nel sistema JUPITER. Questi chip collegano strettamente le unità di elaborazione centrale (CPU) e le unità di elaborazione grafica (GPU), consentendo di memorizzare temporaneamente nella memoria della CPU i dati che superano la capacità di memoria della GPU, mantenendo al contempo prestazioni elevate.

Per sfruttare appieno questa architettura, gli ingegneri dell’NVIDIA Application Lab, un’iniziativa congiunta tra il Centro di Supercalcolo di Jülich (JSC) e NVIDIA, hanno aggiornato il software di simulazione quantistica di Jülich, il Jülich Universal Quantum Computer Simulator (JUQCS). La versione aggiornata, denominata JUQCS-50, è in grado di eseguire calcoli quantistici in modo efficiente anche quando parte dei dati viene trasferita nella memoria della CPU.

I ricercatori hanno inoltre introdotto una tecnica di compressione della codifica dei byte che riduce i requisiti di memoria di un fattore otto, insieme a un sistema di ottimizzazione dinamica che migliora continuamente lo scambio di dati tra oltre 16.000 Superchip GH200.

“Con JUQCS-50, possiamo emulare computer quantistici universali con elevata fedeltà e affrontare quesiti che nessun processore quantistico esistente è ancora in grado di risolvere”, afferma il Prof. Hans De Raedt del Centro di Supercalcolo di Jülich e autore principale dello studio pubblicato in anteprima.

Ampliare l’accesso alla ricerca quantistica

JUQCS-50 sarà reso disponibile anche a enti di ricerca e aziende esterne tramite JUNIQ, l’infrastruttura unificata di Jülich per il calcolo quantistico. I ricercatori prevedono che servirà sia come strumento scientifico sia come punto di riferimento per la valutazione dei futuri supercomputer.

Il progetto è stato sviluppato nell’ambito del programma JUPITER Research and Early Access (JUREAP). “Grazie alla collaborazione precoce, è stato possibile progettare congiuntamente hardware e software durante la fase di costruzione di JUPITER, in stretta collaborazione tra gli esperti di Jülich e NVIDIA: un passo importante verso la piena realizzazione del potenziale di questo sistema exascale”, spiega il Dr. Andreas Herten, membro del team di progetto JUPITER di Jülich e coautore dello studio.

JUPITER riceve finanziamenti congiunti da diverse organizzazioni. Metà dei finanziamenti proviene dall’impresa comune europea per il calcolo ad alte prestazioni (EuroHPC JU). Un quarto è fornito dal Ministero federale della ricerca, della tecnologia e dello spazio (BMFTR, precedentemente BMBF), mentre il restante quarto proviene dal Ministero della cultura e della scienza del Land della Renania Settentrionale-Vestfalia (MKW NRW) tramite il Gauss Centre for Supercomputing (GCS).