Ein Forschungsteam des Jülicher Supercomputing Centre hat in Zusammenarbeit mit NVIDIA-Experten einen bedeutenden Durchbruch in der Quantensimulation erzielt: Erstmals gelang ihnen die vollständige Simulation eines universellen 50-Qubit-Quantencomputers mit JUPITER, Europas erstem Exascale-Supercomputer. Diese Leistung übertrifft den Simulationsrekord von 48 Qubit, den dasselbe Team 2022 auf dem K-Computer in Japan aufgestellt hatte. Die zugehörige Forschung wurde auf dem Preprint-Server arXiv veröffentlicht.

Quantencomputersimulationen sind für die Entwicklung zukünftiger Quantensysteme unerlässlich. Sie ermöglichen es Forschern, experimentelle Ergebnisse zu validieren und neue Algorithmen zu testen, bevor die Hardware ausgereift ist. Beispiele hierfür sind Variationsquantencharakteristik-Löser (VQEs) zur Simulation molekularer Materialien und quantenapproximative Optimierungsalgorithmen (QAOA) zur Optimierung logistischer und finanzieller Probleme. Traditionelle Hardware-Simulationen von Quantencomputern stehen jedoch vor exponentiellen Herausforderungen: Der Rechen- und Speicherbedarf verdoppelt sich mit jedem zusätzlichen Qubit. Eine Simulation mit 50 Qubits benötigt etwa 2 Petabyte Speicher – eine Kapazität, die nur die leistungsstärksten Supercomputer der Welt erreichen. Professorin Kristil Michelsen, Direktorin des Jülich Supercomputing Centre, erklärte: „Hochleistungsrechnen und Quantenforschung sind eng miteinander verknüpft.“

Dieser Durchbruch ist dem hybriden Speicherdesign des NVIDIA GH200-Superchips zu verdanken, das CPU und GPU eng miteinander verbindet und so die temporäre Speicherung von Daten im CPU-Speicher mit minimalem Leistungsverlust ermöglicht. Das Forschungsteam verbesserte die Simulationssoftware JUQCS auf JUQCS-50 und reduzierte den Speicherbedarf durch Byte-Codierungskomprimierung um das Achtfache. Zudem wurde der Datenaustauschalgorithmus zwischen über 16.000 Chips optimiert. Studienleiter Professor Hans De Raedt erklärte: „JUQCS-50 kann einen universellen Quantencomputer mit hoher Genauigkeit simulieren und Probleme lösen, die mit bestehenden Quantenprozessoren nicht zu bewältigen sind.“

JUQCS-50 wird über die JUNIQ Jülich Unified Quantum Computing Infrastructure der Öffentlichkeit zugänglich gemacht und dient sowohl als Forschungsinstrument als auch als Benchmark für zukünftige Supercomputer. Diese Forschung wurde im Rahmen des JUPITER Research and Early Access Program (JUREAP) durchgeführt. Dr. Andreas Herten, Mitglied des Projektteams, betonte: „Die frühzeitige Zusammenarbeit ermöglichte die gemeinsame Entwicklung von Hardware und Software und erschloss so das volle Potenzial von Exascale-Systemen.“

Weitere Informationen: Hans De Raedt et al., „Universelle Quantensimulation von 50 Qubits mit einer heterogenen CPU-GPU-Architektur auf Europas erstem Exascale-Supercomputer“, arXiv (2025). Zeitschrifteninformationen: arXiv