Симуляция универсального квантового процессора принципиально важна для разработки будущих квантовых технологий. Точные модели позволяют учёным тестировать методы для задач квантовой химии и материаловедения, такие как VQE (вариационный квантовый решатель собственных значений), и алгоритмы оптимизации, включая QAOA (квантовый приближённый алгоритм оптимизации). Эти подходы предназначены для реальных квантовых устройств, но сами устройства пока не обеспечивают требуемой стабильности и масштаба, поэтому классические суперкомпьютеры становятся ключевой испытательной площадкой.

Главная сложность в том, что классическая симуляция квантового компьютера растёт по ресурсам экспоненциально: каждый добавленный кубит удваивает объём памяти и число операций. Обычный ноутбук справится примерно с 30 кубитами. Для 50 кубитов потребовалось около 2 петабайт памяти и задействование архитектуры Jupiter с тысячами модулей Nvidia GH200.

Созданный на Jupiter симулятор точно воспроизводит поведение реального квантового процессора. Каждое квантовое логическое действие (квантовый вентиль) влияет более чем на 2 квадриллиона комплексных амплитуд (порядка 2·1015 чисел), которые должны быть согласованы между тысячами вычислительных узлов. Именно такой масштаб делал более ранние попытки моделирования столь крупных систем практически недостижимыми даже для передовых машин.

Рывок стал возможен благодаря новому поколению программного обеспечения — версия JUQCS-50 использует гибридную память модулей Nvidia GH200, перенося часть данных между памятью графических и центральных процессоров с минимальными потерями производительности. Специальный метод сжатия с побайтным кодированием уменьшает требования к памяти в 8 раз, а динамический алгоритм постоянно оптимизирует передачу данных между более чем 16 000 суперпроцессоров во время симуляции.

С JUQCS-50 мы можем с высокой точностью эмулировать универсальные квантовые компьютеры и решать задачи, которые ни один существующий квантовый процессор пока не в состоянии выполнить

отметил профессор Ханс Де Раедт, ведущий автор работы

Полученный симулятор станет частью инфраструктуры JUNIQ (Julich UNified Infrastructure for Quantum Computing), через которую к нему получат доступ внешние научные группы и компании. JUQCS-50 планируется использовать не только как инструмент для разработки и тестирования квантовых алгоритмов, но и как эталонную нагрузку для оценки возможностей суперкомпьютеров следующего поколения.