JUPITER mit neuem Rekord
50-Qubit-Quantencomputer simuliert
Ein Forschungsteam des Jülich Supercomputing Centre hat gemeinsam mit NVIDIA einen neuen Rekord aufgestellt: Erstmals konnte das Verhalten eines universellen Quantencomputers mit 50 Qubits vollständig auf einem klassischen Supercomputer zu simuliert werden.
Für diese besonders rechenintensive Aufgabe kam Europas erster Exascale-Supercomputer JUPITER zum Einsatz, der im September am Forschungszentrum Jülich eingeweiht wurde.
Damit übertrifft das Team den bisherigen Weltrekord von 48 Qubits, den Jülicher Forschende 2022 auf dem japanischen K Computer erzielt hatten. Der neue Rekord zeigt die enorme Leistungsfähigkeit von JUPITER – und eröffnet neue Möglichkeiten für die Erforschung und den Test von Quantenalgorithmen.
Simulationen von Quantencomputern sind ein unverzichtbares Werkzeug für die Entwicklung zukünftiger Systeme. Sie ermöglichen es, die Ergebnisse experimenteller Quantenrechner zu verifizieren und neue Quantenalgorithmen zu testen, noch bevor leistungsfähige Quantencomputer tatsächlich verfügbar sind. Beispiele sind etwa der Variational Quantum Eigensolver (VQE), mit dem sich Moleküle und Materialien berechnen lassen, sowie der Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA), der Optimierungsaufgaben in Logistik, Finanzwesen oder Künstlicher Intelligenz adressiert.
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Eine gewaltige Rechenaufgabe
Die Simulation eines Quantencomputers auf einem klassischen Rechner ist äußerst rechen- und speicherintensiv. Denn die Zahl der möglichen Zustände wächst exponentiell: Mit jedem zusätzlichen Quantenbit, kurz Qubit, verdoppelt sich Rechen- und Speicherbedarf.
Etwa 30 Qubits lassen sich noch auf einem gewöhnlichen Notebook simulieren. Für 50 Qubits wäre dagegen bereits ein Arbeitsspeicher von 2 Petabyte – also etwa zwei Millionen Gigabyte – erforderlich. »So viel bieten derzeit nur die größten Supercomputer der Welt«, erklärt Prof. Kristel Michielsen, Direktorin am Jülich Supercomputing Centre (JSC). »Das zeigt, wie eng Fortschritte im Höchstleistungsrechnen und in der Quantenforschung heute miteinander verflochten sind.«
Die Simulation bildet die komplexe Quantenphysik eines realen Quantencomputers vollständig nach. Jeder Rechenschritt – etwa das Anwenden eines Quanten-Gatters – verändert mehr als 2 Billiarden komplexer Zahlenwerte, eine 2 mit 15 Nullen. Diese Werte müssen über Tausende Rechenknoten hinweg synchronisiert werden, um die Funktionsweise eines echten Quantenprozessors präzise nachzustellen.
Durchbruch dank neuer Speichertechnik
Den Rekord ermöglichte die enge Kopplung von Hauptprozessor (CPU) und Grafikprozessor (GPU) in den »NVIDIA GH200«-Superchips, die im JUPITER-Superrechner zum Einsatz kommen. So können selbst Datenmengen, die den Grafikspeicher übersteigen, mit minimalem Leistungsverlust im CPU-Speicher zwischengelagert werden.
Um dieses hybride Speicherprinzip optimal zu nutzen, haben Fachleute im NVIDIA Application Lab – einer Einrichtung des Jülich Supercomputing Centre und NVIDIA – das Simulationstool Jülich Universal Quantum Computer Simulator (JUQCS) weiterentwickelt. Es führt nun auch dann Quantenoperationen effizient aus, wenn Teile der Daten auf die CPU ausgelagert werden.
Ein adaptives Kompressionsverfahren (Byte-Encoding) senkt den Speicherbedarf um den Faktor acht. Gleichzeitig wird der Datenaustausch zwischen mehr als 16.000 Superchips des Systems durch einen dynamischen Algorithmus laufend optimiert.
»Mit JUQCS-50 können wir universelle Quantencomputer realitätsnah nachbilden und damit Fragen beantworten, die heute noch kein Quantenprozessor lösen kann«, sagt Prof. Hans De Raedt vom Jülich Supercomputing Centre und Hauptautor der als Preprint veröffentlichten Studie.
Einbindung in Quantencomputer-Infrastruktur
Die Quantencomputer-Emulation JUQCS-50 wird über die Jülicher Quantencomputer-Infrastruktur JUNIQ (Jülich UNified Infrastructure for Quantum Computing) auch externen Forschungseinrichtungen und Unternehmen zur Verfügung stehen – als Werkzeug und als Benchmark-Anwendung für kommende Supercomputer.
Die Entwicklung erfolgte im Rahmen des JUPITER Research and Early Access Program (JUREAP): »Bereits während der Aufbauphase von JUPITER haben JSC- und NVIDIA-Expertinnen und -Experten im sogenannten Co-Design eng zusammengearbeitet. Auf diese Weise konnten wir Hardware und Software möglichst genau aufeinander abstimmen – ein wichtiger Schritt, um das Potenzial dieses Exascale-Rechners voll auszuschöpfen«, erklärt Dr. Andreas Herten, Teil des JUPITER-Projektteams am JSC und Mitautor der Studie.
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