Pesquisadores na Alemanha concretizaram um avanço computacional notável ao simular integralmente um computador quântico de 50 qubits. O feito, inédito até então, utilizou o JUPITER, o supercomputador exascale mais recente da Europa, e ultrapassa o recorde anterior de 48 qubits, demonstrando a crescente capacidade dos sistemas de alta performance.
JUPITER e o novo patamar da computação quântica
Pela primeira vez na história, cientistas conseguiram simular um computador quântico de 50 qubits, um marco impulsionado pelo poder do supercomputador exascale europeu.
A equipe de pesquisa do Centro de Supercomputação de Jülich, em colaboração com a NVIDIA, consolidou uma etapa significativa na computação quântica. Eles realizaram a simulação completa de um computador quântico universal com 50 qubits, algo que se tornou viável graças ao JUPITER. Este supercomputador, o primeiro do tipo exascale na Europa, foi inaugurado oficialmente em setembro passado no Centro de Pesquisa de Jülich.
Esta nova marca supera o recorde anterior de 48 qubits, estabelecido também por especialistas de Jülich em 2019, utilizando o computador K no Japão. Além de redefinir o limite da capacidade de simulação, o progresso ressalta o imenso potencial do JUPITER, prometendo acelerar o desenvolvimento de algoritmos e tecnologias quânticas futuras.
A relevância das simulações quânticas para o futuro tecnológico
As simulações de computadores quânticos são indispensáveis para impulsionar o avanço da pesquisa nesta área. Cientistas as empregam para testar novos algoritmos, verificar resultados obtidos em experimentos e analisar o comportamento de futuros sistemas quânticos, antes mesmo que o hardware físico atinja a potência necessária para executar tais operações.
Entre os algoritmos que despertam grande interesse dos pesquisadores estão o Variational Quantum Eigensolver (VQE), crucial para o estudo de moléculas e materiais, e o Quantum Approximate Optimisation Algorithm (QAOA), desenvolvido para solucionar desafios de otimização em segmentos como logística, finanças e inteligência artificial.
O desafio exponencial de mimetizar sistemas quânticos
Recriar o funcionamento de um computador quântico em um supercomputador convencional é uma tarefa de enorme complexidade, dada a expansão exponencial da dificuldade com cada qubit adicionado. Cada novo qubit duplica tanto a memória quanto a capacidade de processamento exigidas para uma simulação precisa.
Enquanto um laptop comum consegue processar simulações com até aproximadamente 30 qubits, a simulação de 50 qubits representa um salto gigantesco, demandando cerca de 2 petabytes de memória. Esse volume equivale a impressionantes dois milhões de gigabytes, ilustrando a barreira colossal superada para avançar no desenvolvimento da computação quântica.
“Atualmente, somente os maiores supercomputadores do planeta conseguem entregar tal nível de performance”, disse a professora Kristel Michielsen, diretora do Centro de Supercomputação de Jülich. “Este cenário demonstra a profunda conexão entre o progresso da computação de alto desempenho e a pesquisa quântica nos dias de hoje.”
A simulação busca replicar em detalhes o comportamento quântico de um processador real. Cada operação, como a aplicação de uma porta quântica, impacta mais de 2 quatrilhões de valores numéricos complexos — um “2” seguido de 15 zeros. Esses valores precisam ser mantidos em sincronia em milhares de nós de computação para que o comportamento do processador quântico seja reproduzido com máxima precisão.
Superchips NVIDIA GH200 impulsionam o novo recorde mundial
O avanço tecnológico alcançado foi significativamente dependente dos Superchips NVIDIA GH200, integrados ao sistema JUPITER. Estes chips proporcionam uma conexão fluida entre as unidades centrais de processamento (CPUs) e as unidades de processamento gráfico (GPUs), permitindo que dados que excedem a memória da GPU sejam armazenados temporariamente na memória da CPU, sem comprometer a alta performance.
Para capitalizar essa arquitetura inovadora, os engenheiros do Laboratório de Aplicações da NVIDIA, uma colaboração entre o Centro de Supercomputação de Jülich (JSC) e a NVIDIA, otimizaram o software de simulação quântica de Jülich, conhecido como Simulador Universal de Computador Quântico de Jülich (JUQCS). A versão atualizada, nomeada JUQCS-50, executa cálculos quânticos de maneira eficiente mesmo quando uma parcela dos dados precisa ser transferida para a memória da CPU.
Adicionalmente, a equipe de pesquisa implementou uma técnica de compressão por codificação de bytes, que resultou na redução da demanda de memória em oito vezes. Isso foi combinado com um sistema de otimização dinâmica, que aprimora continuamente a troca de informações entre os mais de 16.000 Superchips GH200.
“Com o JUQCS-50, conseguimos emular computadores quânticos universais com alta fidelidade e explorar questões que nenhum processador quântico existente é capaz de resolver ainda”, afirmou o professor Hans De Raedt, do Centro de Supercomputação de Jülich e autor principal do estudo pré-publicado.
Expandindo o acesso à inovação em pesquisa quântica
O JUQCS-50 será disponibilizado para uso por organizações de pesquisa externas e empresas, através do JUNIQ – a Infraestrutura Unificada de Jülich para Computação Quântica. A expectativa dos pesquisadores é que a ferramenta sirva tanto como um recurso científico fundamental quanto como um ponto de referência para a avaliação de futuros supercomputadores.
Este projeto foi concebido e desenvolvido no âmbito do Programa de Pesquisa e Acesso Antecipado do JUPITER (JUREAP). “A colaboração precoce permitiu que hardware e software fossem projetados em conjunto durante a fase de construção do JUPITER, com a estreita cooperação entre os especialistas de Jülich e a NVIDIA, um passo crucial para materializar todo o potencial deste sistema de exaescala”, explicou o doutor Andreas Herten, membro da equipe do projeto JUPITER em Jülich e coautor do estudo.
O financiamento do JUPITER é resultado de um esforço conjunto entre várias entidades. A metade dos recursos provém da Parceria Europeia para Computação de Alto Desempenho (EuroHPC JU). Um quarto do financiamento é concedido pelo Ministério Federal da Investigação, Tecnologia e Espaço (BMFTR, anteriormente BMBF), e o quarto restante vem do Ministério da Cultura e Ciência do Estado da Renânia do Norte-Vestfália (MKW NRW), por meio do Centro Gauss para Supercomputação (GCS).
