NVIDIA simuleert foutbestendige kwantumchip op Europese supercomputer JUPITER

Kwantumcomputers staan bekend als veelbelovend maar extreem foutgevoelig. De qubits waarmee ze rekenen zijn zo gevoelig dat de kleinste verstoring al fouten veroorzaakt. Om toch betrouwbare berekeningen te kunnen doen, moeten kwantumchips 'foutbestendig' worden gemaakt. Dat proces kost op dit moment enorm veel extra qubits en reken-kracht. NVIDIA onderzocht nu, samen met het Forschungszentrum Jülich in Duitsland, hoe dat efficiënter kan.

Wat is er precies getest?

De onderzoekers simuleerden een kwantumprocessor met 104 qubits op JUPITER, de eerste exascale-supercomputer van Europa. Dat is een supercomputer die meer dan een triljoen berekeningen per seconde kan uitvoeren. Voor de simulatie werden 8.192 grafische chips (GPU's) van het type NVIDIA GH200 ingezet. Dat is nodig omdat het nabootsen van een kwantumchip op een gewone computer exponentieel meer rekenkracht kost naarmate er meer qubits bij komen. Eerdere pogingen van Jülich kwamen niet verder dan 50 qubits, en dan ook nog onder ideale, storingsvrije omstandigheden. De nieuwe simulatie ging een stap verder door realistische ruis en fouten mee te nemen, zoals die ook in echte hardware voorkomen.

Centraal stond een techniek die bekendstaat als 'magic-state cultivation'. Dit is een methode om zogeheten magic states te produceren: speciale qubit-configuraties die kwantumchips nodig hebben om foutbestendig te kunnen rekenen. Deze magic states worden voortdurend verbruikt tijdens een berekening en moeten dus steeds opnieuw worden aangemaakt. Volgens NVIDIA heeft de onderzochte aanpak 90 procent minder qubits nodig om deze states te maken dan oudere methoden. Omdat elke verbetering hierin direct invloed heeft op hoe praktisch een kwantumcomputer wordt, is dit een belangrijke stap richting bruikbare toepassingen.

Simuleren voordat je bouwt

Het idee achter het project is simpel: bouw eerst een virtuele versie van een kwantumchip, test die uitgebreid door, en bouw pas daarna de echte hardware. Dat scheelt tijd en geld, omdat fouten in het ontwerp al vooraf worden opgespoord. Voordat de onderzoekers op JUPITER aan de slag gingen, testten ze hun simulatiemethode eerst op een kleiner systeem van NVIDIA, het NVAQC-centrum in de Verenigde Staten. Daar werd opgeschaald van vier GPU's naar honderden, voordat de sprong naar 8.192 GPU's op JUPITER werd gemaakt. Die voorbereiding bracht een simulatie die normaal weken zou duren, terug tot een kwestie van dagen.

Jensen Huang, topman van NVIDIA, noemt de samenwerking een voorbeeld van hoe kwantumchips en supercomputers elkaar kunnen versterken. Kristel Michielsen, directeur van het Jülich Supercomputing Centre, benadrukt dat de Europese investering in JUPITER onderzoekers in staat stelt vragen te onderzoeken die voorheen simpelweg te complex waren. De verwachting is dat dit soort simulaties essentieel wordt naarmate kwantumcomputers groter en complexer worden, met mogelijke toepassingen in medicijnonderzoek, financiële modellen en materiaalwetenschap.