科学者が量子のマイルストーンに到達: ヨーロッパのスーパーコンピューター JUPITER が初めて 50 量子ビットをシミュレーション
ドイツの研究者たちは、50 量子ビットの量子コンピューターを完全にシミュレートすることで、目覚ましい計算の進歩を達成しました。この偉業は、それまで前例のないもので、ヨーロッパの最新のエクサスケール スーパーコンピューターである JUPITER を使用し、これまでの記録である 48 量子ビットを上回り、高性能システムの容量の増大を実証しました。
JUPITER と新しいレベルの量子コンピューティング
科学者たちは史上初めて、ヨーロッパのエクサスケール スーパーコンピューターの能力によって推進されるマイルストーンである 50 量子ビットの量子コンピューターのシミュレーションに成功しました。
ユーリッヒ スーパーコンピューティング センターの研究チームは、NVIDIA と協力して、量子コンピューティングにおける重要な一歩を強化しました。彼らは、JUPITER のおかげで実現可能になった 50 量子ビットのユニバーサル量子コンピューターの完全なシミュレーションを実行しました。このスーパーコンピューターはヨーロッパ初のエクサスケールタイプで、昨年9月にユーリッヒ研究センターで正式に稼働した。
この新しいマークは、同じくユーリッヒの専門家が2019年に日本の「京」コンピューターを使用して樹立した以前の記録である48量子ビットを上回ります。この進歩は、シミュレーション能力の限界を再定義することに加えて、JUPITER の計り知れない可能性を浮き彫りにし、将来の量子アルゴリズムと技術の開発を加速することを約束します。
技術の未来に対する量子シミュレーションの関連性
量子コンピュータシミュレーションは、この分野の研究の進歩を促進するために不可欠です。科学者は、物理ハードウェアがそのような操作を実行するために必要な能力に達する前であっても、新しいアルゴリズムをテストし、実験で得られた結果を検証し、将来の量子システムの動作を分析するためにそれらを使用します。
研究者から大きな関心を集めているアルゴリズムの中には、分子や材料の研究に不可欠な変分量子固有ソルバー (VQE) や、物流、金融、人工知能などの分野における最適化の課題を解決するために開発された量子近似最適化アルゴリズム (QAOA) があります。
量子システムを模倣するという指数関数的な課題
従来のスーパーコンピューター上で量子コンピューターの機能を再現することは、量子ビットが追加されるたびに難易度が指数関数的に増大することを考慮すると、非常に複雑な作業となります。新しい量子ビットごとに、正確なシミュレーションに必要なメモリと処理能力の両方が 2 倍になります。
一般的なラップトップは最大約 30 量子ビットのシミュレーションを処理できますが、50 量子ビットのシミュレーションは大幅な飛躍を示し、約 2 ペタバイトのメモリが必要になります。このボリュームは 200 万ギガバイトに相当し、量子コンピューティングの開発を進めるために乗り越えられる巨大な障壁を示しています。
ユーリッヒ スーパーコンピューティング センター所長のクリステル ミシェルセン教授は、「現時点では、このようなレベルのパフォーマンスを実現できるのは、地球上で最大のスーパーコンピューターだけです」と述べています。 「このシナリオは、ハイパフォーマンス コンピューティングの進歩と今日の量子研究との間に深いつながりがあることを示しています。」
シミュレーションは、実際のプロセッサの量子動作を詳細に再現することを目指しています。量子ゲートの適用などの各操作は、2,000 兆を超える複素数値 (「2」の後に 15 個のゼロが続く) に影響を与えます。量子プロセッサの動作が最大限の精度で再現されるように、これらの値は数千のコンピューティング ノード間で同期を保つ必要があります。
NVIDIA GH200 スーパーチップが新たな世界記録を樹立
達成された技術的進歩は、JUPITER システムに統合された NVIDIA GH200 スーパーチップに大きく依存していました。これらのチップは、中央処理装置 (CPU) とグラフィックス処理装置 (GPU) の間の流動的な接続を提供し、GPU メモリを超えるデータを、高いパフォーマンスを損なうことなく CPU メモリに一時的に保存できるようにします。
この革新的なアーキテクチャを活用するために、ユーリッヒ スーパーコンピューティング センター (JSC) と NVIDIA のコラボレーションである NVIDIA アプリケーション ラボのエンジニアは、ユーリッヒ ユニバーサル 量子コンピューター シミュレーター (JUQCS) として知られるユーリッヒの量子シミュレーション ソフトウェアを最適化しました。 JUQCS-50 と呼ばれる更新バージョンは、データの一部を CPU メモリに転送する必要がある場合でも、量子計算を効率的に実行します。
さらに、研究チームはバイト エンコード圧縮技術を実装し、その結果メモリ需要が 8 分の 1 に削減されました。これに動的最適化システムが組み合わされており、16,000 個を超える GH200 スーパーチップ間の情報交換が継続的に改善されています。
「JUQCS-50 を使用すると、ユニバーサル量子コンピュータを高い忠実度でエミュレートし、既存の量子プロセッサがまだ解決できない問題を探索することができます」と、ユーリッヒ スーパーコンピューティング センターのハンス デ レート教授は述べ、この未公開研究の主著者でもあります。
量子研究におけるイノベーションへのアクセスを拡大
JUQCS-50 は、量子コンピューティングのための Jülich 統合インフラストラクチャである JUNIQ を通じて、外部の研究機関や企業が使用できるようになります。研究者らは、このツールが基礎的な科学リソースとして、また将来のスーパーコンピューターを評価するための参照点として機能することを期待している。
このプロジェクトは、JUPITER Research and Early Access Program (JUREAP) の下で設計および開発されました。 「早期の協力により、JUPITER の構築段階でハードウェアとソフトウェアを一緒に設計することができました。Jülich の専門家と NVIDIA の緊密な協力により、このエクサスケール システムの可能性を最大限に実現するための重要な一歩となりました。」と、Jülich の JUPITER プロジェクト チームのメンバーであり、この研究の共著者である Andreas Herten 博士は説明しました。
JUPITER の資金調達は、複数の組織間の共同努力の結果です。資金の半分はヨーロッパ ハイパフォーマンス コンピューティング パートナーシップ (EuroHPC JU) から提供されます。資金の 4 分の 1 は連邦研究技術宇宙省 (BMFTR、旧 BMBF) から提供され、残りの 4 分の 1 はノルトライン ヴェストファーレン州文化科学省 (MKW NRW) からガウス スーパーコンピューティング センター (GCS) を通じて提供されます。
