NVIDIA 在 JUPITER 上模拟 104 比特容错协议

NVIDIA 跑了什么，在哪里跑

NVIDIA 称这是迄今规模最大的容错量子处理器完整模拟。运行在于利希超级计算中心的 JUPITER 上完成，用了 8192 块 GPU。

NVIDIA 说，此前没有哪次运行如此细致地为量子处理器建模。据 NVIDIA CUDA-Q 团队的技术文章，这次模拟对相干相位误差和泄漏都做了建模。相干相位误差会累积并相互干涉；泄漏指超导比特离开两个计算能级。部分物理位点被赋予第三个能级，模拟的复杂度因此上升。JUPITER 是欧洲首台百亿亿次超级计算机，位于于利希研究中心。

为什么魔态决定了比特开销

容错机器必须持续产出魔态，也就是计算过程中被消耗的一种特定比特排布。传统蒸馏协议把量子计算机全部物理比特预算中的 90% 到 95% 都花在制造通用计算所需的 T 态上。魔态培育用一套更小、局部的码切换技术取代这笔开销。NVIDIA 称，它模拟的培育方法所需物理比特比此前方法少 90%。公司认为这一差距重要，因为现有硬件在比特数量上仍然有限，任何降低开销的技术都有帮助。

模拟的协议从距离 3 的色码起步。这是一种小型纠错码，用标志测量来检测有害故障。

随后它把该状态扩展为距离 7 的色码与表面码混合配置，再进行后续纠错轮次和读出。NVIDIA 的 CUDA-Q 技术文章称，所计的 104 个比特包含这一序列中使用的数据比特和辅助比特，而不是 104 个物理比特。

从 50 比特到 104 比特，变了什么

于利希早先的 50 比特模拟在理想、无噪声条件下运行，为一个通用量子计算机建模。它超过了 2019 年于利希研究人员及其日本同行在日本的「京」计算机上创下的 48 比特纪录。104 比特的这次运行则是在真实硬件噪声下为魔态培育建模。模拟 50 比特需要约 2 PB 内存，大致相当于两百万 GB。每多一个比特，所需的算力和内存就翻一倍，而一台普通笔记本电脑仍能处理 30 个左右。

NVIDIA 表示，这项工作始于 NVIDIA 加速量子研究中心的一台 NVIDIA GB200 NVL72 系统。

团队在那里把测试从 4 块 GPU 扩展到数百块，之后才把工作负载交给 JUPITER 的 8192 块 GPU 配置。据 NVIDIA 的博客文章，这一分阶段准备把原本数周的模拟工作压缩到几天。公司称，这些准备帮助团队有效利用了 JUPITER 的百亿亿次算力。

主持者怎么说

「有用的量子计算将需要极其复杂的容错系统，理解它们在大规模下的行为，对建造它们至关重要，」NVIDIA 创始人兼 CEO 黄仁勋在公告中说。

「欧洲对 JUPITER 的投资让研究人员有能力探究此前无法触及的问题，」于利希超级计算中心主任 Kristel Michielsen 在 NVIDIA 的公告中说。她表示，与 NVIDIA 的合作帮助科学家更有依据地判断哪些设计最有可能带来有用的应用。

接下来

NVIDIA 称，这次运行给研究人员提供了数据，使他们能在设计建成之前预测其表现，减少对硬件反复试错的依赖。公司指出，目标应用领域包括药物发现、金融建模和材料科学。这次模拟使用了 NVIDIA 的 cuQuantum 软件和 CUDA-Q 平台的容错逻辑层。至于何时向外部量子硬件合作伙伴公开这些模拟工具，尚无时间表。