Il supercomputer europeo JUPITER, ospitato presso il Jülich Supercomputing Centre, è stato impiegato da NVIDIA per quella che l’azienda definisce la più ampia simulazione completa di un processore quantistico fault-tolerant (tollerante ai guasti) mai realizzata.
Il test, condotto su un sistema basato su superchip NVIDIA GH200, ha modellato il comportamento di 104 qubit in presenza di rumore realistico, con un livello di dettaglio che, secondo NVIDIA, non trova precedenti nelle simulazioni di questo tipo.
L’obiettivo era studiare la cosiddetta “magic state cultivation”, una delle tecniche più promettenti per il calcolo quantistico tollerante agli errori, che richiede il 90% di qubit in meno rispetto ai metodi precedenti. Non a caso, anche Google ci sta lavorando.
La simulazione ha permesso di validarne il funzionamento in condizioni vicine a quelle reali, fornendo ai ricercatori dati e strumenti per prevedere le prestazioni di architetture future prima che vengano realizzate in hardware. In questo modo si riduce la dipendenza dai tentativi empirici sui dispositivi fisici, con un potenziale beneficio per i tempi di sviluppo di applicazioni in ambiti come la scoperta di farmaci, la modellazione finanziaria e la scienza dei materiali.
I qubit operano ai limiti imposti dalla fisica, e le interazioni necessarie per controllarli generano inevitabilmente rumore, fonte di errori. Il calcolo quantistico che riesce a operare in presenza di questo rumore è detto fault-tolerant e richiede l’impiego di “magic state”, particolari configurazioni di qubit che vengono consumate in modo continuo durante l’elaborazione. Poiché un computer quantistico fault-tolerant deve produrre stati magici ripetutamente, ogni ottimizzazione del processo con cui vengono generati riduce in misura significativa la difficoltà di costruire una macchina realmente utile.
Simulando questo processo con rumore realistico, i ricercatori NVIDIA hanno validato un approccio di magic state cultivation allo stato dell’arte, mettendo a disposizione della comunità gli strumenti per sviluppare e testare miglioramenti futuri. Il lavoro si distingue da una precedente ricerca di Jülich, che aveva simulato 50 qubit in condizioni ideali e prive di rumore: la nuova simulazione introduce invece il rumore tipico dell’hardware reale, consentendo di comprendere l’impatto degli errori.
La difficoltà principale di queste simulazioni risiede nella memoria richiesta, che cresce in modo esponenziale con il numero di qubit e rende le simulazioni su larga scala inaccessibili ai sistemi di calcolo convenzionali. Per affrontare il problema, il team ha utilizzato come piattaforma di sviluppo un sistema NVIDIA GB200 NVL72 presso il NVIDIA Accelerated Quantum Research Center (NVAQC). Qui è stato possibile far scalare i test da 4 GPU fino a centinaia, prima di passare alle 8.192 GPU di JUPITER, primo supercomputer exascale europeo.
L’impiego del centro NVAQC ha consentito di accelerare lo sviluppo e la messa a punto dei metodi di simulazione, confrontare i risultati con quelli ottenuti su JUPITER ed esaminare come l’accuratezza scali con l’aumento delle risorse di calcolo. Secondo NVIDIA, questo percorso ha ridotto uno sforzo di simulazione che richiedeva settimane a pochi giorni, preparando al contempo il team a sfruttare in modo efficace la capacità exascale di JUPITER.
Il progetto evidenzia inoltre come la simulazione diventerà sempre più rilevante e complessa al crescere delle dimensioni dei sistemi quantistici, e come cluster di calcolo accelerato come quello di NVAQC siano utili per sviluppare e validare i metodi prima di accedere a supercomputer di classe mondiale per i calcoli più impegnativi.
Dal punto di vista software, le simulazioni sono state eseguite con NVIDIA cuQuantum, per ottenere prestazioni e scalabilità ottimizzate, insieme al livello logico fault-tolerant della piattaforma NVIDIA CUDA-Q, utilizzato per descrivere il circuito degli stati magici. Ulteriori dettagli sono disponibili nel blog GitHub dedicato alla simulazione su JUPITER.
“Il calcolo quantistico utile richiederà sistemi fault-tolerant estremamente complessi, e comprendere come si comportano su larga scala è essenziale per costruirli”, ha dichiarato Jensen Huang, fondatore e CEO di NVIDIA. “I risultati ottenuti a Jülich mostrano come processori quantistici e supercomputer basati su GPU possano collaborare per affrontare ricerche altrimenti fuori portata, accelerando la scoperta di applicazioni quantistiche trasformative”.
Le simulazioni condotte su JUPITER offrono così all’industria quantistica indicazioni concrete sull’effetto del rumore nei sistemi fault-tolerant, permettendo di affinare i progetti prima della costruzione dell’hardware e, secondo NVIDIA, di accorciare di anni il percorso verso computer quantistici realmente utilizzabili.