Investigadores alemanes han logrado un avance computacional notable al simular completamente una computadora cuántica de 50 qubits. La hazaña, sin precedentes hasta entonces, utilizó JUPITER, el superordenador de exaescala más reciente de Europa, y supera el récord anterior de 48 qubits, lo que demuestra la creciente capacidad de los sistemas de alto rendimiento.
JUPITER y el nuevo nivel de la computación cuántica
Por primera vez en la historia, los científicos han conseguido simular un ordenador cuántico de 50 qubits, un hito impulsado por la potencia del superordenador de exaescala de Europa.
El equipo de investigación del Centro de Supercomputación de Jülich, en colaboración con NVIDIA, ha consolidado un paso significativo en la computación cuántica. Realizaron una simulación completa de un ordenador cuántico universal con 50 qubits, algo que se volvió viable gracias a JUPITER. Este superordenador, el primero de su tipo exaescala en Europa, fue inaugurado oficialmente el pasado mes de septiembre en el Centro de Investigación de Jülich.
Esta nueva marca supera el récord anterior de 48 qubits, establecido también por los expertos de Jülich en 2019, utilizando el ordenador K en Japón. Además de redefinir el límite de la capacidad de simulación, el progreso destaca el inmenso potencial de JUPITER, que promete acelerar el desarrollo de futuros algoritmos y tecnologías cuánticos.
La relevancia de las simulaciones cuánticas para el futuro tecnológico
Las simulaciones cuánticas por ordenador son fundamentales para impulsar el avance de la investigación en este ámbito. Los científicos los utilizan para probar nuevos algoritmos, verificar los resultados obtenidos en experimentos y analizar el comportamiento de futuros sistemas cuánticos, incluso antes de que el hardware físico alcance la potencia necesaria para realizar tales operaciones.
Entre los algoritmos que despiertan gran interés entre los investigadores se encuentran el Variational Quantum Eigensolver (VQE), crucial para el estudio de moléculas y materiales, y el Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA), desarrollado para resolver desafíos de optimización en segmentos como la logística, las finanzas y la inteligencia artificial.
El desafío exponencial de imitar sistemas cuánticos
Recrear el funcionamiento de una computadora cuántica en una supercomputadora convencional es una tarea de enorme complejidad, dada la expansión exponencial de la dificultad con cada qubit agregado. Cada nuevo qubit duplica la memoria y la potencia de procesamiento necesarias para una simulación precisa.
Mientras que una computadora portátil típica puede procesar simulaciones con hasta aproximadamente 30 qubits, la simulación de 50 qubits representa un salto gigante, ya que requiere alrededor de 2 petabytes de memoria. Este volumen equivale a la impresionante cifra de dos millones de gigabytes, lo que ilustra la colosal barrera superada para avanzar en el desarrollo de la computación cuántica.
“Actualmente, sólo los superordenadores más grandes del planeta pueden ofrecer tal nivel de rendimiento”, afirma el profesor Kristel Michielsen, director del Centro de Supercomputación de Jülich. “Este escenario demuestra la profunda conexión entre el progreso de la computación de alto rendimiento y la investigación cuántica actual”.
La simulación busca replicar en detalle el comportamiento cuántico de un procesador real. Cada operación, como la aplicación de una puerta cuántica, afecta a más de 2 mil billones de valores numéricos complejos: un “2” seguido de 15 ceros. Estos valores deben mantenerse sincronizados en miles de nodos informáticos para que el comportamiento del procesador cuántico se reproduzca con la máxima precisión.
Los superchips NVIDIA GH200 logran un nuevo récord mundial
El avance tecnológico logrado dependió en gran medida de los Superchips NVIDIA GH200, integrados en el sistema JUPITER. Estos chips proporcionan una conexión fluida entre las unidades centrales de procesamiento (CPU) y las unidades de procesamiento de gráficos (GPU), lo que permite que los datos que exceden la memoria de la GPU se almacenen temporalmente en la memoria de la CPU, sin comprometer el alto rendimiento.
Para aprovechar esta arquitectura innovadora, los ingenieros del Laboratorio de Aplicaciones de NVIDIA, una colaboración entre el Centro de Supercomputación de Jülich (JSC) y NVIDIA, optimizaron el software de simulación cuántica de Jülich, conocido como Jülich Universal Quantum Computer Simulator (JUQCS). La versión actualizada, denominada JUQCS-50, realiza cálculos cuánticos de manera eficiente incluso cuando es necesario transferir una parte de los datos a la memoria de la CPU.
Además, el equipo de investigación implementó una técnica de compresión de codificación de bytes, que resultó en una reducción ocho veces la demanda de memoria. Esto se ha combinado con un sistema de optimización dinámica, que mejora continuamente el intercambio de información entre los más de 16.000 Superchips GH200.
“Con el JUQCS-50, podemos emular ordenadores cuánticos universales con alta fidelidad y explorar cuestiones que ningún procesador cuántico existente es capaz de resolver todavía”, afirmó el profesor Hans De Raedt del Centro de Supercomputación de Jülich y autor principal del estudio prepublicado.
Ampliar el acceso a la innovación en la investigación cuántica
JUQCS-50 estará disponible para su uso por empresas y organizaciones de investigación externas a través de JUNIQ, la infraestructura unificada de Jülich para computación cuántica. La expectativa de los investigadores es que la herramienta sirva como recurso científico fundamental y como punto de referencia para evaluar futuras supercomputadoras.
Este proyecto fue diseñado y desarrollado bajo el Programa de Investigación y Acceso Temprano de JUPITER (JUREAP). “La colaboración temprana permitió diseñar juntos hardware y software durante la fase de construcción de JUPITER, siendo la estrecha cooperación entre los expertos de Jülich y NVIDIA un paso crucial para aprovechar todo el potencial de este sistema a exaescala”, explicó el Dr. Andreas Herten, miembro del equipo del proyecto JUPITER en Jülich y coautor del estudio.
La financiación de JUPITER es el resultado de un esfuerzo conjunto entre varias entidades. La mitad de la financiación procede de la Asociación Europea para la Computación de Alto Rendimiento (EuroHPC JU). Una cuarta parte de la financiación procede del Ministerio Federal de Investigación, Tecnología y Espacio (BMFTR, antes BMBF), y la cuarta parte restante 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).
