Il primo supercomputer exascale europeo ha appena battuto un record mondiale nel campo dell’informatica quantistica, simulando per la prima volta un computer quantistico universale completo da 50 qubit. Questa impresa porta l’informatica classica ai suoi limiti fisici e segna una pietra miliare nello sviluppo di algoritmi molto prima dell’arrivo delle macchine quantistiche mature.
La potenza dell’architettura ibrida: come un supercomputer ha battuto il record della simulazione quantistica
Questo progresso è opera dei scienziati del Centro di Supercalcolo di Jülich (JSC), in collaborazione con gli specialisti di NVIDIA. Il record supera il precedente primato di 48 qubit, anch’esso stabilito dallo stesso centro, e dimostra le immense capacità del nuovo sistema JUPITER, inaugurato a settembre.
Le simulazioni con computer quantistici fungono da banco di prova per le tecnologie quantistiche del futuro e consentono agli scienziati di esplorare metodi di modellazione molecolare come il Risolutore Variazionale di Autovalori Quantistici (VQE) e approcci di ottimizzazione come l’Algoritmo di Ottimizzazione Quantistica Approssimativa (QAOA), molto prima che i processori quantistici siano in grado di eseguirli in modo affidabile.
Tuttavia, simulare circuiti quantistici su macchine classiche è estremamente difficile. Ogni qubit aggiuntivo raddoppia i requisiti di memoria e di calcolo, generando una crescita esponenziale che supera rapidamente anche la capacità dell’hardware più avanzato.
I computer quantistici differiscono fondamentalmente da quelli classici nel loro modo di elaborare le informazioni. Quelli convenzionali utilizzano bit binari, che sono 0 o 1, mentre quelli quantistici utilizzano bit quantistici o qubit, che possono esistere in più stati contemporaneamente grazie ai principi di sovrapposizione e intreccio. Questa capacità di elaborare più possibilità contemporaneamente è ciò che conferisce loro incredibile velocità e potenza di calcolo.
Ad esempio, mentre i computer classici eseguono le attività in modo sequenziale, quelli quantistici possono eseguire molti calcoli in parallelo. Pertanto, i sistemi quantistici hanno il potenziale per risolvere determinati problemi molto più rapidamente rispetto ai computer classici.
Uno dei vantaggi più significativi dei supercomputer quantistici è la loro capacità di elaborare una quantità esponenzialmente maggiore di informazioni. In certi tipi di problemi, un computer quantistico potrebbe, in teoria, superare i supercomputer classici più veloci di ordini di grandezza: ciò che a un computer quantistico richiede meno di 10 minuti, il supercomputer più veloce attualmente disponibile impiegherebbe 5.000.000.000.000.000.000.000.000 anni.
”Attualmente, solo i supercomputer più grandi al mondo offrono questa capacità”, spiega Kristel Michielsen, autrice dello studio pubblicato su Arxiv -. Questo caso pratico illustra la stretta interrelazione che esiste oggi tra il progresso nel calcolo ad alte prestazioni e la ricerca quantistica”.
Nel computer quantistico JUQCS-50, ogni porta quantistica influisce su oltre 2 quadrilioni di numeri complessi, tutti sincronizzati in migliaia di nodi di calcolo. Questa scala rendeva le simulazioni precedenti praticamente impossibili.
Il JUQCS-50 sfrutta l’architettura di memoria ibrida dei superchip NVIDIA GH200, trasferendo temporaneamente i dati dalla GPU alla memoria della CPU con una perdita minima di prestazioni. Allo stesso tempo, un nuovo metodo di compressione della codifica dei byte riduce la richiesta di memoria di un fattore otto, mentre un algoritmo dinamico ottimizza continuamente il trasferimento dei dati tra oltre 16.000 superchip durante la simulazione.
“Con JUQCS-50, possiamo emulare supercomputer quantistici universali con alta fedeltà e affrontare problemi che nessun processore quantistico attuale è in grado di risolvere”, aggiunge Hans De Raedt, coautore dello studio.
Si prevede che JUQCS-50 fungerà sia da motore di ricerca che da riferimento per i supercomputer di prossima generazione.
