NVIDIA simula un protocollo fault-tolerant a 104 qubit su JUPITER

Cosa ha eseguito NVIDIA, e dove

NVIDIA descrive l'esecuzione come la più ampia simulazione completa di un processore quantistico fault-tolerant realizzata finora. L'azienda afferma di averla condotta su 8.192 GPU di JUPITER, al Jülich Supercomputing Centre.

Secondo NVIDIA nessuna esecuzione precedente aveva modellato un processore quantistico con questo livello di dettaglio. In un post tecnico del team CUDA-Q di NVIDIA si legge che la simulazione ha riprodotto errori di fase coerenti, che si accumulano e interferiscono, e il leakage, cioè il caso in cui un qubit superconduttivo esce dai suoi due livelli di calcolo. Ad alcuni siti fisici selezionati è stato assegnato un terzo livello energetico, il che aumenta la complessità della simulazione. JUPITER è il primo supercomputer exascale d'Europa e si trova al Forschungszentrum Jülich.

Perché i magic state decidono il conto dei qubit

Le macchine fault-tolerant devono continuare a produrre magic state, una particolare configurazione di qubit consumata durante il calcolo. I protocolli di distillazione tradizionali impiegano dal 90% al 95% dell'intero budget di qubit fisici di un calcolatore quantistico solo per creare i T-state che servono al calcolo universale. La coltivazione di magic state sostituisce quel sovraccarico con una tecnica di code-switching più piccola e localizzata. NVIDIA afferma che l'approccio di coltivazione simulato richiede il 90% in meno di qubit fisici rispetto ai metodi precedenti. L'azienda sostiene che il divario conta perché l'hardware attuale resta limitato nel numero di qubit, quindi qualsiasi tecnica che riduca il sovraccarico aiuta.

Il protocollo simulato parte da un color code a distanza 3, un codice correttore di errori di piccole dimensioni, e usa misure flag per individuare i guasti dannosi.

Poi fa crescere lo stato fino a una configurazione ibrida color e surface code a distanza 7, prima di ulteriori cicli di correzione degli errori e della lettura. Il post tecnico CUDA-Q di NVIDIA precisa che i 104 qubit conteggiati comprendono i qubit di dati e quelli ausiliari usati lungo quella sequenza, e non 104 qubit fisici.

Da 50 qubit a 104, e cosa è cambiato

La precedente simulazione a 50 qubit di Jülich girava in condizioni ideali, senza rumore, e modellava un calcolatore quantistico universale. Superava un record di 48 qubit stabilito nel 2019 sul K computer giapponese dai ricercatori di Jülich e dai loro colleghi giapponesi. L'esecuzione a 104 qubit modella invece la coltivazione di magic state con il rumore realistico dell'hardware. Simulare 50 qubit richiedeva circa 2 petabyte di memoria, all'incirca due milioni di gigabyte. Ogni qubit in più raddoppia la potenza di calcolo e la memoria necessarie, e un normale portatile riesce ancora a gestirne intorno a 30.

NVIDIA afferma che il lavoro è iniziato su un sistema NVIDIA GB200 NVL72 presso l'NVIDIA Accelerated Quantum Research Center.

Lì il team ha portato i test da 4 GPU a centinaia prima di affidare i carichi di lavoro alla configurazione da 8.192 GPU di JUPITER. Secondo il post sul blog di NVIDIA, questa preparazione ha compresso in giorni un lavoro di simulazione che prima richiedeva settimane. L'azienda sostiene che il lavoro preparatorio ha aiutato il team a sfruttare in modo efficace la capacità exascale di JUPITER.

Cosa dicono chi l'ha eseguito

"Il calcolo quantistico utile richiederà sistemi fault-tolerant di complessità fantastica, e capire come si comportano su larga scala è essenziale per costruirli", ha dichiarato Jensen Huang, fondatore e CEO di NVIDIA, nell'annuncio.

"L'investimento dell'Europa in JUPITER dà ai ricercatori la possibilità di indagare questioni che prima erano fuori portata", ha dichiarato Kristel Michielsen, direttrice del Jülich Supercomputing Centre, nell'annuncio di NVIDIA. Ha aggiunto che la collaborazione con NVIDIA aiuta gli scienziati a prendere decisioni meglio informate sui progetti più adatti a produrre applicazioni utili.

Cosa succede dopo

NVIDIA afferma che l'esecuzione fornisce ai ricercatori dati per prevedere come si comporteranno i progetti futuri prima di costruirli, riducendo la dipendenza da tentativi ed errori sull'hardware. L'azienda indica la scoperta di farmaci, la modellazione finanziaria e la scienza dei materiali come aree applicative previste. La simulazione ha usato il software cuQuantum di NVIDIA e il livello logico fault-tolerant della piattaforma CUDA-Q. Non è stato annunciato alcun calendario per rendere gli strumenti di simulazione disponibili pubblicamente ai partner esterni dell'hardware quantistico.