Forscher des Jülich Supercomputing Centre haben in Zusammenarbeit mit Experten von Nvidia einen Weltrekord in der Quantensimulation gebrochen. Das Kunststück? Zum ersten Mal überhaupt hat ein Computer den Bedarf an 50 Qubits vollständig und erfolgreich simuliert. Der bisherige Weltrekord mit 48 Qubits wurde 2019 von einem anderen Jülicher Forscherteam mit dem japanischen K-Computer aufgestellt. Diesmal verwendeten sie JUPITER, den kürzlich eingeführten europäischen Exascale-Supercomputer.
Warum ist das so wichtig und was bedeutet es? Zunächst müssen wir feststellen, dass die Quantenforschung oder Quanteninformationswissenschaft eine Kombination aus Quantenmechanik und Computer- und Informationstheorie verwendet, um Quantenphänomene besser zu verstehen. Im Kern geht es dabei darum, Quantenkonzepte wie Superposition und Verschränkung zu nutzen, um die Technologie voranzutreiben und leistungsfähigere Computer zu realisieren.
Quantensimulationen, wie sie zum Brechen des Weltrekords verwendet wurden, sind ein wichtiger Teil dieser Forschung und ermöglichen es Wissenschaftlern, verschiedene Theorien, potenzielle Entdeckungen und Algorithmen zu testen und zu validieren, ähnlich wie Googles Entwicklung eines futuristischen Quantenalgorithmus. Mithilfe von Simulationen können Wissenschaftler untersuchen, was echte Quantencomputer ohne Zugang zu greifbaren Maschinen leisten könnten, die sehr teuer und nur begrenzt verfügbar sind. Dieser neue Rekord erweitert die Möglichkeiten dieser Simulationen, sodass Teams leistungsfähigere und fortschrittlichere Computer testen können.
Zum Testen nutzen Forscher herkömmliche Computer
Es ist wichtig zu bedenken, dass die Teams herkömmliche Computer verwenden, wenn auch viel leistungsfähiger als ein durchschnittliches Verbrauchergerät, um zukünftige Quantencomputerlösungen zu testen. JUPITER zum Beispiel ist ein Supercomputer und kein Quantencomputer. Im Inneren sind die Prozessoren mit Nvidias GH200-Superchips mit jeweils bis zu ausgestattet 624 GB schneller Zugriff Erinnerung. Forscher und Experten haben außerdem die Simulationssoftware Jülich Universal Quantum Computer Simulator (JUQCS) verbessert und eine neue Version namens JUQCS-50 erstellt, die eine höhere Rechenleistung unterstützt.
Jedes zusätzliche Qubit verdoppelt den Rechen- und Speicheraufwand für die Simulation. Die Simulation von 50 Qubits Quantenleistung erfordert fast 2 Petabyte Speicher, ein enormer Bedarf für eine herkömmliche Maschine. Zum Vergleich könnten 30 Qubits auf einem typischen Laptop simuliert werden. Professorin Kristel Michielsen, Direktorin des Zentrums für Wissenschaftliches Rechnen in Jülich, sagt: „Derzeit bieten nur die größten Supercomputer der Welt so viele Möglichkeiten.“ Die Forschung „zeigt, wie Fortschritte im Hochleistungsrechnen und in der Quantenforschung eng miteinander verbunden sind.“ Es ist auch erwähnenswert, dass ebenso wie jedes zusätzliche simulierte Qubit eine Verdoppelung der Rechenleistung erfordert, jedes zu einem echten Quantencomputer hinzugefügte Qubit auch seine Rechenleistung verdoppeln würde.
Neue Fortschritte in der Hardwareleistung und im Quantencomputing eröffnen die Tür zu ganz einzigartigen Möglichkeiten. Beispielsweise könnte ein neuer Durchbruch die Kosten von Quantencomputern völlig verändern. Andere Forschungsteams haben mithilfe von Quanten-Supercomputern erfolgreich Daten teleportiert. Jede Entdeckung verrät uns nicht nur mehr darüber, wie leistungsfähig diese Technologie wirklich ist, sondern auch, was damit erreicht werden kann. Der Grundstein besteht darin, zu verstehen, wozu Quantencomputer in der Lage sind, daher die Simulationen.