Il supercomputer JUPITER simula 50 qubit e segna un nuovo record mondiale
Simulare un computer quantistico a 50 qubit sembrava un traguardo ancora lontano. E invece il supercomputer JUPITER, la prima macchina exascale europea, ha appena frantumato ogni aspettativa, portando a termine per la prima volta nella storia una simulazione completa di questa portata. Il risultato, ottenuto dai ricercatori del Jülich Supercomputing Centre in collaborazione con NVIDIA, supera il precedente record di 48 qubit stabilito nel 2019 sempre dal centro di ricerca tedesco, ma sulla ormai pensionata macchina giapponese K.
Per capire perché questo traguardo fa così rumore, basta pensare a un dettaglio: ogni qubit aggiunto raddoppia la memoria e la potenza di calcolo necessarie. Un portatile normale gestisce simulazioni da circa 30 qubit. Arrivare a 50 richiede qualcosa come 2 petabyte di memoria, circa due milioni di gigabyte. Numeri che solo i supercomputer più potenti al mondo possono maneggiare. JUPITER, inaugurato ufficialmente presso il Forschungszentrum Jülich nel settembre scorso, è esattamente quel tipo di macchina.
Ma a cosa serve davvero simulare un computer quantistico su un supercomputer tradizionale? La risposta è meno scontata di quanto sembri. Queste simulazioni permettono agli scienziati di testare algoritmi, verificare risultati sperimentali e capire come si comporteranno i futuri sistemi quantistici prima ancora che l’hardware reale sia abbastanza maturo. Tra gli algoritmi più interessanti ci sono il Variational Quantum Eigensolver, utile per studiare molecole e materiali, e il Quantum Approximate Optimisation Algorithm, pensato per problemi di ottimizzazione nella logistica, nella finanza e nell’intelligenza artificiale.
Come i chip NVIDIA GH200 hanno reso possibile l’impresa
Il cuore tecnologico di questa impresa è rappresentato dai chip NVIDIA GH200 Superchips integrati nel sistema JUPITER. Questi componenti collegano in modo stretto processori centrali e unità grafiche, permettendo ai dati che superano la capacità della memoria GPU di essere temporaneamente spostati nella memoria CPU senza perdere prestazioni significative. Una soluzione elegante a un problema enorme.
Per sfruttare al massimo questa architettura, gli ingegneri del NVIDIA Application Lab hanno aggiornato il software di simulazione quantistica di Jülich, trasformandolo in una nuova versione chiamata JUQCS-50. Il software aggiornato riesce a eseguire calcoli quantistici anche quando parte dei dati migra verso la memoria CPU. In più, una tecnica di compressione byte encoding riduce i requisiti di memoria di un fattore otto, mentre un sistema di ottimizzazione dinamica migliora continuamente lo scambio dati tra oltre 16.000 chip GH200.
Durante la simulazione, ogni singola operazione quantistica influenza più di 2 quadrilioni di valori numerici complessi. Per rendere l’idea, parliamo di un “2” seguito da 15 zeri. Tutti questi valori devono restare sincronizzati su migliaia di nodi di calcolo per riprodurre fedelmente il comportamento di un vero processore quantistico. Una sfida che fa girare la testa anche solo a descriverla.
Un traguardo che guarda al futuro della ricerca quantistica
Il software JUQCS-50 non resterà chiuso nei laboratori di Jülich. Verrà reso disponibile a organizzazioni di ricerca esterne e aziende attraverso JUNIQ, l’infrastruttura unificata per il quantum computing del centro tedesco. L’obiettivo è duplice: da un lato offrire uno strumento scientifico potente, dall’altro creare un parametro di riferimento per valutare le prestazioni dei futuri supercomputer.
Il progetto è nato nell’ambito del JUPITER Research and Early Access Programme, che ha permesso una progettazione congiunta di hardware e software durante la fase di costruzione del supercomputer. Una collaborazione stretta tra gli esperti di Jülich e NVIDIA che, secondo i protagonisti, rappresenta un passo fondamentale per sfruttare appieno il potenziale di questo sistema exascale.
Il finanziamento di JUPITER arriva da più fonti: metà dal programma europeo EuroHPC JU, un quarto dal Ministero federale tedesco della Ricerca e il restante quarto dal Ministero della Cultura e della Scienza del Land Nordreno-Vestfalia. Un investimento europeo che, a giudicare dai risultati, sta già ripagando abbondantemente.
