Duitse kwantumcomputer breekt record voor berekeningen met qubits

Onderzoekers in Duitsland hebben een nieuwe wereldwijde mijlpaal bereikt op het gebied van kwantumcomputers: zij zijn het eerste team dat een kwantumcomputer met 50 qubits volledig heeft gesimuleerd. Deze prestatie werd geleverd met behulp van JUPITER, de nieuwe Europese exascale-supercomputer die is ondergebracht bij het Forschungszentrum Jülich, en de gevolgen voor de toekomst van het kwantumonderzoek zouden wel eens enorm kunnen zijn.

Deze doorbraak verpulvert het vorige record van 48 qubits, wat op zich al geen geringe prestatie was. Dat eerdere record werd in 2019 ook al gevestigd door wetenschappers uit Jülich, met behulp van de Japanse K-computer. Dit keer ging het team – in samenwerking met NVIDIA – nog een stap verder en overschreed het een drempel die een duizelingwekkende hoeveelheid rekenkracht vereist.

Hoe veeleisend is dat precies? Het simuleren van 50 qubits vereist ongeveer 2 petabytes aan geheugen — zo’n twee miljoen gigabytes. Ter vergelijking: een standaardlaptop kan simulaties van ongeveer 30 qubits aan. De exponentiële toename in complexiteit ontstaat doordat elke nieuwe qubit zowel het benodigde geheugen als de benodigde rekenkracht verdubbelt. Bij 50 qubits beïnvloedt elke kwantumpoortbewerking meer dan 2 biljoen complexe numerieke waarden, die gesynchroniseerd moeten blijven over duizenden rekenknooppunten.

“Alleen 's werelds grootste supercomputers bieden momenteel zoveel”, aldus prof. Kristel Michielsen, directeur van het Jülich Supercomputing Center, die benadrukte hoe nauw de vooruitgang in high-performance computing en kwantumonderzoek tegenwoordig met elkaar verweven zijn.

Een belangrijke doorbraak voor kwantumcomputers

Deze prestatie werd mogelijk gemaakt door een reeks technische innovaties. Ingenieurs van het NVIDIA Application Lab hebben de kwantumsimulatiesoftware van Jülich — bekend als JUQCS — geüpgraded naar een nieuwe versie, JUQCS-50, die in staat is kwantumberekeningen uit te voeren, zelfs wanneer gegevens naar het CPU-geheugen moeten worden overgedragen. Het team introduceerde ook een compressietechniek met byte-codering die de geheugenvereisten met een factor acht vermindert, samen met een dynamisch optimalisatiesysteem dat de gegevensuitwisseling tussen meer dan 16.000 GH200 Superchips voortdurend verbetert.

Naast het record zelf heeft deze mijlpaal ook een aanzienlijke praktische waarde. Simulaties van kwantumcomputers spelen een cruciale rol bij het bevorderen van kwantumonderzoek — wetenschappers gebruiken ze om algoritmen te testen, experimentele bevindingen te valideren en te onderzoeken hoe toekomstige kwantumsystemen zich zouden kunnen gedragen voordat echte hardware krachtig genoeg is om dergelijke taken uit te voeren. Tot de toepassingen die worden onderzocht, behoren algoritmen voor het bestuderen van moleculen en materialen, evenals optimalisatietools die relevant zijn voor logistiek, financiën en kunstmatige intelligentie.

JUQCS-50 zal ook beschikbaar worden gesteld aan externe onderzoeksorganisaties en bedrijven via JUNIQ, de Jülich UNified Infrastructure for Quantum Computing. Onderzoekers verwachten dat het zowel als wetenschappelijk hulpmiddel als benchmark zal dienen voor het evalueren van de volgende generatie supercomputers – een passend erfgoed voor een machine die de recordboeken al heeft herschreven.