Впервые полностью смоделирован 50-кубитный универсальный квантовый компьютер

Вид между стойками суперкомпьютера JUPITER. Автор: Исследовательский центр Юлиха (Forschungszentrum Jülich) / Sascha Kreklau

Исследовательская группа из Центра суперкомпьютерных вычислений в Юлихе совместно со специалистами NVIDIA установила новый рекорд в квантовом моделировании: впервые был полностью смоделирован универсальный квантовый компьютер с 50 кубитами. Это достижение стало возможным благодаря первому в Европе экзафлопсному суперкомпьютеру JUPITER, запущенному в Исследовательском центре Юлиха в сентябре.

Результат превосходит предыдущий мировой рекорд в 48 кубитов, установленный исследователями из Юлиха в 2022 году на японском суперкомпьютере K. Достижение демонстрирует огромную вычислительную мощность JUPITER и открывает новые горизонты для разработки и тестирования квантовых алгоритмов. Исследование опубликовано на сервере препринтов arXiv.

Симуляции квантовых компьютеров имеют решающее значение для разработки будущих квантовых систем. Они позволяют исследователям проверять экспериментальные результаты и тестировать новые алгоритмы задолго до того, как мощные квантовые машины станут реальностью.

Расширение границ классических вычислений

Моделирование квантового компьютера на обычном оборудовании представляет собой огромную проблему. Количество возможных квантовых состояний растет экспоненциально: каждый дополнительный кубит удваивает требования к вычислительным мощностям и памяти.

Если около 30 кубитов еще можно обработать на стандартном ноутбуке, то для моделирования 50 кубитов требуется примерно 2 петабайта памяти. «Только крупнейшие в мире суперкомпьютеры в настоящее время предлагают такой объем», — говорит профессор Кристэль Михилсен, директор Центра суперкомпьютерных вычислений в Юлихе.

Обзор конструкции узла JUPITER с четырехпроцессорной конфигурацией GH200. Автор: arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2511.03359

Прорыв стал возможен благодаря новой технологии памяти

Рекорд стал возможен благодаря тесной интеграции центральных процессоров и графических процессоров в суперчипах NVIDIA GH200, которые используются в суперкомпьютере JUPITER. Эта конструкция позволяет временно хранить данные, превышающие лимиты памяти GPU, в памяти CPU с минимальной потерей производительности.

Специалисты NVIDIA Application Lab — совместной инициативы Центра суперкомпьютерных вычислений в Юлихе и NVIDIA — усовершенствовали программное обеспечение для моделирования Jülich Universal Quantum Computer Simulator (JUQCS). Новая версия, JUQCS-50, теперь эффективно выполняет квантовые операции даже когда части данных перемещаются в CPU.

Дополнительные инновации включают метод сжатия с байтовым кодированием, который сокращает требования к памяти в восемь раз, и динамический алгоритм, который непрерывно оптимизирует обмен данными между более чем 16 000 суперчипами GH200.

«С JUQCS-50 мы можем эмулировать универсальные квантовые компьютеры с высокой точностью и решать задачи, которые пока не под силу ни одному существующему квантовому процессору», — говорит профессор Ханс Де Рэдт из Центра суперкомпьютерных вычислений в Юлихе, ведущий автор исследования.

Интеграция в квантовую инфраструктуру Юлиха

JUQCS-50 также будет доступен внешним исследовательским учреждениям и компаниям через JUNIQ — единую инфраструктуру для квантовых вычислений в Юлихе. Он будет служить как исследовательским инструментом, так и эталоном для будущих суперкомпьютеров.

Разработка велась в рамках программы JUPITER Research and Early Access Program (JUREAP). «Благодаря раннему сотрудничеству, аппаратное и программное обеспечение могли создаваться совместно на этапе строительства JUPITER — важный шаг к реализации полного потенциала этой экзафлопсной системы», — объясняет доктор Андреас Хертен, член команды проекта JUPITER в Юлихе и соавтор исследования.