Eine Simulation auf dem europäischen Exascale-Supercomputer JUPITER hat einen fehlertoleranten Quantenprozessor mit 104 Qubits unter Einbeziehung realistischer Hardwarefehler nachgebildet. NVIDIA setzte dafür 8192 GH200-Grafikprozessoren ein. Die Berechnung validierte die Magic-State-Cultivation, eine Methode, die den Bedarf an physikalischen Qubits um etwa 90 Prozent gegenüber bisherigen Verfahren senkt. Damit lassen sich Fehlerkorrekturstrategien und das Verhalten großer Systeme testen, bevor teure Quantenhardware gebaut wird. Die Ergebnisse unterstützen Entwicklungen in der Materialwissenschaft, Finanzmodellierung und Arzneimittelforschung.
Quantencomputer nutzen die Prinzipien der Quantenmechanik, insbesondere Überlagerung und Verschränkung, um bestimmte Berechnungen deutlich schneller auszuführen als klassische Rechner. Ein Qubit kann im Gegensatz zu einem klassischen Bit nicht nur den Zustand 0 oder 1 annehmen, sondern auch Überlagerungen beider Zustände. Die Verschränkung verknüpft mehrere Qubits so, dass ihr gemeinsamer Zustand nicht mehr als Produkt der Einzelzustände beschrieben werden kann. Diese Eigenschaften ermöglichen parallele Berechnungen, machen die Systeme aber extrem empfindlich gegenüber Störungen aus der Umgebung.
Fehler durch Rauschen, Wechselwirkungen zwischen Qubits oder unvollständige Kontrolle führen dazu, dass Informationen verloren gehen. Für praktisch nutzbare Quantencomputer sind daher fehlertolerante Architekturen nötig. Dabei werden logische Qubits aus vielen physikalischen Qubits aufgebaut, sodass Fehler erkannt und korrigiert werden können. Die Simulation solcher Systeme auf klassischen Supercomputern ist aufwendig, weil der Zustandsraum exponentiell mit der Zahl der Qubits wächst.
JUPITER am Forschungszentrum Jülich ist Europas erster Exascale-Supercomputer und erreicht Leistungen im Bereich von mehr als einer Trillion Rechenoperationen pro Sekunde. Für die Quantensimulation kamen 8192 NVIDIA GH200 Grace-Hopper-Superchips zum Einsatz. Die Berechnung modellierte einen realistischen Quantenprozessor, der fehlertolerante Operationen ausführt, und bezog dabei typische Hardwarefehler ein. Frühere Simulationen, darunter eine 50-Qubit-Rechnung auf demselben System, betrachteten idealisierte, rauschfreie Bedingungen. Die neue Arbeit schließt diese Lücke und liefert Daten darüber, wie Rauschen die Leistung beeinflusst.
Die Simulation wurde zunächst auf kleineren Clustern mit wenigen Grafikprozessoren entwickelt und schrittweise auf Hunderte und schließlich auf die volle Konfiguration skaliert. Die Rechenzeit verkürzte sich dadurch von Wochen auf Tage. Genutzt wurden optimierte Software-Stacks sowie die logische Schicht der NVIDIA Quantum Cloud, um die Schaltkreise für die Magic-State-Cultivation auszudrücken. Das Ergebnis ist eine der bislang umfassendsten Simulationen eines fehlertoleranten Quantensystems mit realistischer Fehlermodellierung.
Für universelle Quantenberechnungen reichen die sogenannten Clifford-Gates nicht aus. Es werden zusätzliche Operationen benötigt, die über spezielle Hilfszustände, die Magic States, realisiert werden. Diese Zustände müssen mit hoher Genauigkeit hergestellt werden, was traditionell viele physikalische Qubits und aufwendige Destillationsverfahren erfordert. Magic-State-Cultivation ist ein Ansatz, bei dem die benötigten Zustände schrittweise erzeugt, geprüft und vergrößert werden. Dabei werden weniger Ressourcen verbraucht als bei klassischen Destillationsmethoden.
Die Simulation auf JUPITER bestätigte, dass dieser Ansatz den Bedarf an physikalischen Qubits um rund 90 Prozent senken kann. Das bedeutet kleinere, kühlere und potenziell günstigere Quantenprozessoren. Gleichzeitig lieferte die Rechnung Erkenntnisse darüber, wie sich verschiedene Fehlerraten auf die Qualität der erzeugten Magic States auswirken. Solche Informationen helfen, die Designparameter zukünftiger Hardware gezielter festzulegen und den Trial-and-Error-Aufwand in der Entwicklung zu verringern.
Jensen Huang, Gründer und CEO von NVIDIA, betonte, dass nützliches Quantencomputing extrem komplexe fehlertolerante Systeme erfordere und das Verständnis ihres Verhaltens im großen Maßstab entscheidend sei. Die Ergebnisse aus Jülich zeigten, wie Quantenprozessoren und GPU-Supercomputer gemeinsam Forschung ermöglichen, die sonst unerreichbar bliebe. Kristel Michielsen, Direktorin des Jülich Supercomputing Centre, hob hervor, dass Europas Investition in JUPITER es Forschenden erlaubt, Fragen zu untersuchen, die zuvor außerhalb der Reichweite lagen. Die Zusammenarbeit mit NVIDIA bringe diese Fähigkeit in das Quantencomputing und unterstütze fundiertere Entscheidungen über vielversprechende Designs.
Praktisch relevant sind die Erkenntnisse für die Simulation von Molekülen und Materialien. Viele chemische und physikalische Prozesse lassen sich mit klassischen Rechnern nur näherungsweise beschreiben. Fehlertolerante Quantencomputer könnten hier präzisere Vorhersagen liefern, etwa für neue Katalysatoren, Batteriematerialien oder Wirkstoffe. Auch in der Finanzmodellierung oder Optimierungsaufgaben werden Vorteile erwartet. Die Simulation ersetzt keine physischen Experimente, liefert aber belastbare Vorhersagen über das Verhalten geplanter Architekturen und verkürzt den Entwicklungsweg.
Die Rechnung bleibt eine klassische Simulation eines Quantensystems. Sie bildet das Verhalten unter den angenommenen Fehlermodellen ab, kann aber nicht alle realen Hardwareeffekte vollständig erfassen. Die Skalierung auf noch größere Qubit-Zahlen stößt weiterhin an die Grenzen verfügbarer Rechenleistung, auch wenn Exascale-Systeme den Bereich deutlich erweitern. Die Validierung der Magic-State-Cultivation ist ein wichtiger Schritt, doch die praktische Umsetzung auf echten Quantenprozessoren erfordert weitere experimentelle Bestätigungen. Aktuelle Laborergebnisse, etwa auf supraleitenden Systemen, deuten darauf hin, dass der Ansatz die Fehlerraten deutlich senken kann.
Die Arbeit demonstriert den Nutzen hybrider Ansätze, bei denen klassische Supercomputer Quantenhardware simulieren und optimieren. Solche digitalen Zwillinge werden voraussichtlich eine zentrale Rolle spielen, solange große fehlertolerante Quantencomputer noch nicht verfügbar sind. Sie ermöglichen es, Designentscheidungen früher und mit geringerem Risiko zu treffen. Weitere Simulationen mit noch realistischeren Fehlermodellen und größeren Systemen sind geplant, um die Erkenntnisse zu vertiefen.
NVIDIA, Record Simulation of Fault-Tolerant Quantum Computing at Jülich Supercomputing Centre