Investigadores del Centro de Supercomputación de Jülich y NVIDIA han logrado un hito importante en la computación cuántica al simular completamente por primera vez una computadora cuántica universal con 50 qubits. El logro fue posible gracias al primer superordenador a exaescala de Europa, Júpiter, que se presentó oficialmente el pasado mes de septiembre en el Forschungszentrum Julich.
El logro supera el récord anterior de 48 qubits, establecido por los científicos de Jülich en 2019 utilizando la computadora K de Japón. Más allá de establecer un nuevo punto de referencia, el avance destaca las enormes capacidades de Júpiter y podría acelerar el desarrollo de futuros algoritmos y tecnologías cuánticos.
Por qué es importante la simulación cuántica
Las simulaciones por computadora cuántica juegan un papel importante en el avance de la investigación cuántica. Los científicos los utilizan para probar algoritmos, verificar resultados experimentales y explorar cómo podrían comportarse los futuros sistemas cuánticos antes de que el hardware real sea lo suficientemente potente como para manejar tales tareas.
Algunos de los algoritmos que los investigadores han explorado incluyen el eigensolver cuántico variacional (VQE), que puede ayudar a estudiar moléculas y materiales, y el algoritmo de optimización cuántica aproximada (QAOA), que está diseñado para resolver problemas de optimización en campos como la logística, las finanzas y la inteligencia artificial.
El enorme desafío de simular sistemas cuánticos
Reconstruir una computadora cuántica en una supercomputadora tradicional es extremadamente exigente porque la complejidad aumenta exponencialmente con cada qubit agregado. Cada nuevo qubit duplica la memoria y la potencia informática necesarias para la simulación.
Una computadora portátil estándar puede manejar simulaciones que involucran alrededor de 30 qubits. Sin embargo, simular 50 qubits requiere alrededor de 2 petabytes de memoria, lo que equivale a unos dos millones de gigabytes.
“Actualmente sólo los superordenadores más grandes del mundo ofrecen esto”, afirma la profesora Christel Mitchelsen, directora del Centro de Supercomputación de Jülich. “Este caso de uso ilustra cuán estrechamente vinculados están hoy los avances en la computación de alto rendimiento y la investigación cuántica”.
La simulación modela el comportamiento cuántico detallado de un procesador real. Cada operación (como la aplicación de una puerta cuántica) afecta a dos mil billones de valores numéricos complejos, un “2” con 15 ceros. Estos valores deben permanecer sincronizados en miles de nodos informáticos para reproducir con precisión el comportamiento de un procesador cuántico real.
Los Superchips NVIDIA GH200 permitieron el récord
El avance depende en gran medida de los superchips NVIDIA GH200 utilizados en los sistemas Júpiter. Estos chips acoplan estrechamente la unidad central de procesamiento (CPU) y la unidad de procesamiento de gráficos (GPU), lo que permite almacenar temporalmente más datos en la memoria de la CPU de los que la memoria de la GPU puede manejar mientras se mantiene un alto rendimiento.
Para aprovechar esta arquitectura, los ingenieros del Laboratorio de Aplicaciones de NVIDIA, una empresa entre el Centro de Supercomputación Jülich (JSC) y NVIDIA, actualizaron el software de simulación cuántica de Jülich, el Jülich Universal Quantum Computer Simulator (JUQCS). La versión actualizada, llamada JUQCS-50, puede realizar cálculos cuánticos de manera eficiente incluso si algunos datos se transfieren a la memoria de la CPU.
Los investigadores también introdujeron una técnica de compresión de codificación de bytes que reduce los requisitos de memoria en un factor de ocho, junto con un sistema de optimización dinámica que mejora continuamente el intercambio de datos entre los 16.000 superchips GH200.
“Con JUQCS-50, podemos simular computadoras cuánticas universales con alta fidelidad y abordar cuestiones que ningún procesador cuántico existente puede resolver todavía”, dijo Hans de Red, profesor del Centro de Supercomputación de Jülich y autor principal del estudio publicado como preimpresión.
Ampliar el acceso a la investigación cuántica
JUQCS-50 también estará disponible para empresas y organizaciones de investigación externas a través de JUNIQ, la infraestructura unificada de Jülich para computación cuántica. Los investigadores esperan que sirva como herramienta científica y como punto de referencia para evaluar futuras supercomputadoras.
El proyecto se desarrolló como parte del Programa de Investigación y Acceso Temprano a Júpiter (JUREAP). “A través de una colaboración temprana, se puede codiseñar una estrecha colaboración entre los expertos de Julich en hardware y software y NVIDIA durante la fase de construcción de Julich, un paso importante para aprovechar todo el potencial de este sistema a exaescala”, explicó el Dr. Andreas Harten, miembro del equipo del proyecto Julich Júpiter y coautor del estudio.
Júpiter recibe financiación conjunta de múltiples organizaciones. La mitad de la financiación procede de la Empresa Común Europea de Computación de Alto Rendimiento (EuroHPC JU). Una cuarta parte la aporta el Ministerio Federal de Investigación, Tecnología y Espacio (BMFTR, antes BMBF), la otra cuarta parte procede del Ministerio de Cultura y Ciencia del Estado federado de Renania del Norte-Westfalia (MKW NRW) a través del Centro Gauss de Supercomputación (GCS).
