Il confine tra computazione classica e quantistica si fa sempre più sottile, e l'Europa ha appena dimostrato di possedere gli strumenti per esplorarlo in profondità. Un team del Jülich Supercomputing Center, in collaborazione con specialisti di NVIDIA, ha raggiunto un traguardo che ridefinisce le possibilità della simulazione quantistica: per la prima volta al mondo, un computer quantistico universale da 50 qubit è stato simulato nella sua interezza, sfruttando la potenza di JUPITER, il primo supercomputer a scala exascale operativo in Europa. Questo risultato non rappresenta solo un record tecnico, ma apre prospettive concrete per lo sviluppo e la verifica di algoritmi quantistici che potrebbero rivoluzionare settori dalla chimica computazionale all'intelligenza artificiale.
La sfida di simulare un sistema quantistico su hardware classico è di portata colossale. Ogni qubit aggiuntivo raddoppia sia i requisiti computazionali che quelli di memoria, secondo una progressione esponenziale che rende rapidamente impossibile l'operazione sui sistemi convenzionali. Se circa 30 qubit possono ancora essere gestiti su un laptop standard, simulare 50 qubit richiede circa 2 petabyte di memoria, equivalenti a due milioni di gigabyte. Come sottolinea la professoressa Kristel Michielsen, direttrice del centro di supercalcolo di Jülich, solo i supercomputer più potenti al mondo dispongono attualmente di tali capacità, evidenziando quanto strettamente intrecciati siano oggi i progressi nel calcolo ad alte prestazioni e nella ricerca quantistica.
Il precedente primato mondiale era fermo a 48 qubit, stabilito dagli stessi ricercatori di Jülich nel 2022 utilizzando il supercomputer giapponese K. Il nuovo risultato, pubblicato sul server di preprint arXiv, è stato reso possibile dall'architettura innovativa dei NVIDIA GH200 Superchips che costituiscono il cuore di JUPITER. Questi chip integrano strettamente unità di elaborazione centrale (CPU) e unità di elaborazione grafica (GPU), permettendo di spostare temporaneamente i dati che eccedono i limiti della memoria GPU nella memoria CPU con perdite minime di prestazioni. Una soluzione ibrida che ha permesso di superare uno dei colli di bottiglia più critici della simulazione quantistica.
Per sfruttare appieno questo sistema di memoria ibrido, gli specialisti del NVIDIA Application Lab - un'iniziativa congiunta tra il centro di Jülich e NVIDIA - hanno potenziato il software di simulazione proprietario del centro, il Jülich Universal Quantum Computer Simulator (JUQCS), creando la nuova versione JUQCS-50. Il software implementa un metodo di compressione byte-encoding che riduce di otto volte i requisiti di memoria e un algoritmo dinamico che ottimizza continuamente lo scambio di dati tra gli oltre 16.000 GH200 Superchips impiegati nell'operazione.
La simulazione replica nei minimi dettagli la fisica quantistica di un processore reale. Ogni operazione, come l'applicazione di un gate quantistico, influenza più di 2 quadrilioni di valori numerici complessi - un "2" seguito da 15 zeri - che devono essere sincronizzati attraverso migliaia di nodi computazionali per replicare con precisione il funzionamento di un processore quantistico autentico. Questa fedeltà è cruciale per testare algoritmi come il Variational Quantum Eigensolver (VQE), impiegato nella modellazione di molecole e materiali, o il Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA), utilizzato per problemi di ottimizzazione nella logistica, finanza e intelligenza artificiale.
Il professor Hans De Raedt del Jülich Supercomputing Center, primo autore dello studio, evidenzia come JUQCS-50 permetta di emulare computer quantistici universali con alta fedeltà e affrontare questioni che nessun processore quantistico esistente può ancora risolvere. Le simulazioni quantistiche su hardware classico restano infatti vitali per lo sviluppo dei sistemi quantistici futuri, consentendo di verificare risultati sperimentali e testare nuovi algoritmi molto prima che computer quantistici sufficientemente potenti diventino realtà operativa.
Lo sviluppo di JUQCS-50 è avvenuto nell'ambito del JUPITER Research and Early Access Program (JUREAP), che ha permesso una co-progettazione di hardware e software durante la fase di costruzione di JUPITER, inaugurato presso il Forschungszentrum Jülich nel settembre 2024. Come spiega il dottor Andreas Herten, membro del team del progetto JUPITER e co-autore dello studio, questa collaborazione precoce tra esperti di Jülich e NVIDIA è stata determinante per realizzare il pieno potenziale di questo sistema a scala exascale.
Il software sarà accessibile a istituzioni di ricerca esterne e aziende attraverso JUNIQ (Jülich UNified Infrastructure for Quantum Computing), l'infrastruttura unificata per il calcolo quantistico di Jülich, fungendo sia da strumento di ricerca che da benchmark per i futuri supercomputer. Questa apertura potrebbe accelerare significativamente lo sviluppo di algoritmi quantistici in Europa, consolidando il ruolo del continente nella corsa globale verso la supremazia quantistica.