Die Nvidia-Gruppe nutzte die phänomenale Leistung des JUPITER-Supercomputers um die größte und detaillierteste Simulation durchzuführen eines Quantenprozessors Bisher fehlertolerant, in Zusammenarbeit mit dem Jülich Supercomputing Centre (JSC).
Ziel war es, das Verhalten von 104 Qubits unter realistischen Bedingungen zu modelliereneinschließlich „Rauschen“ (die Störungen, die Rechenfehler verursachen), um einen vielversprechenden Ansatz für die Zukunft des Quantencomputings zu validieren.
Diese Operation bestätigt eine Methode, die Kultivierung magischer Zuständewas die Anzahl der benötigten physischen Qubits um 90 % reduzieren und so die Entwicklung funktionsfähiger Quantencomputer für Wissenschaft und Industrie beschleunigen könnte.
Warum ist diese 104-Qubit-Simulation so wichtig?
Diese Simulation stellt einen entscheidenden Schritt dar, da sie es ermöglicht, die Machbarkeit von Quantenprozessor-Designs bereits vor deren Bau zu bewerten. Es handelt sich um einen virtuellen Prüfstand von beispielloser Genauigkeit.
Durch die Modellierung komplexer Phänomene wie der Entwicklung magischer Zustände in einer lauten Umgebung können Forscher Schwachstellen in einem Design identifizieren und es iterativ verbessern, wodurch Jahre der Entwicklung und Millionen von Dollar für Hardwaretests eingespart werden.
Die eigentliche Herausforderung besteht darin, die Abhängigkeit von Hardware-Experimenten zu verringern, die langsam, teuer und oft frustrierend sind. Dieser Software-Ansatz ermöglicht eine bessere Überwachung von Innovationen, indem er bereits vor dem Test der Hardware erste Antworten liefert.
Anstatt mit echten Qubits im Dunkeln zu tappen, verfügen Wissenschaftler jetzt über ein zuverlässiges Vorhersagemodell. Dieser Ansatz ermöglicht es, klassisches Rechnen (allerdings mit der Leistung eines Exascale-Supercomputers) zu nutzen, um den Weg zu „nützlichen“ Quantencomputern zu ebnen.
Was sind „magische Zustände“ und warum stellen sie einen Flaschenhals dar?
Magische Zustände sind hochspezifische und fragile Konfigurationen von Qubits, die für die Durchführung komplexer Quantenoperationen, die über den Rahmen einfacher Berechnungen hinausgehen, unerlässlich sind.
Sie sind eine Art Premium-Kraftstoff für fehlertolerante Quantenalgorithmen. Das Problem besteht darin, dass ihre Herstellung außerordentlich ressourcenintensiv ist: Mit herkömmlichen Methoden könnten bis zu 95 % der physischen Qubits reserviert werden eines Quantencomputers ausschließlich zur Erzeugung und Reinigung dieser Zustände.
Die Herausforderung ist daher immens. Dadurch würde nur ein winziger Bruchteil der Qubits für die eigentliche Berechnung verfügbar bleiben. Die durch Simulation validierte Methode zu Nvidias KI-Komponenten verspricht, diese Auswirkungen auf die Ressourcen um fast 90 % zu reduzieren.
Durch die drastische Optimierung der Magic State Factory setzen wir eine riesige Menge an Qubits frei für reale Anwendungen, sei es in der Arzneimittelforschung, der Finanzmodellierung oder der Materialwissenschaft.
Welche genaue Rolle spielt der Supercomputer JUPITER bei diesem Fortschritt?
Der Supercomputer JUPITER bietet eine phänomenale Feuerkraft, die für eine solche Aufgabe unbedingt erforderlich ist. Für diese Simulationnicht weniger als 8192 NVIDIA GH200 Grace Hopper Superchips wurden mobilisiert.
Die Berechnung war so komplex, dass die Verfolgung des Zustandsvektors (die mathematische Darstellung des Zustands der Qubits) 512 Terabyte verteilten RAM erforderte auf GPUs. Eine Größenordnung, die mit herkömmlichen Systemen einfach nicht zu erreichen ist.
Die Entwicklung erfolgte zunächst auf bescheideneren Systemen innerhalb des Nvidia Accelerated Quantum Research Center (NVAQC) auf GB200-Architekturen, sodass Sie von ein paar GPUs auf Hunderte umsteigen können, bevor Sie den großen Sprung zur Exascale machen.
Durch diese Vorbereitung konnte die Berechnungszeit von mehreren Wochen auf wenige Tage verkürzt werden. JUPITER hat nicht nur die Berechnungen durchgeführt; Dadurch war es möglich, realistische physikalische Fehler wie das Qutrit-Leck zu modellieren (wo ein Qubit aus seinem 0- oder 1-Zustand auf ein drittes Energieniveau entweicht), wodurch die Simulation der materiellen Realität unglaublich nahe kommt.
