Ett forskarteam vid Jülich Supercomputing Center (JSC), i nära samarbete med NVIDIA, har nyligen tagit ett enormt steg framåt inom kvantberäkningens värld. De har genomfört den hittills mest omfattande fullständiga simuleringen av en universell kvantdator med hela 50 kvantbitar (qubits).
Denna bedrift, som överträffar det tidigare världsrekordet på 48 qubits från 2022, ägde rum på Europas första exaskala-superdator, JUPITER, invigd vid Forschungszentrum Jülich i september. Resultaten, publicerade som preprint på arXiv, visar inte bara JUPITER:s enorma råkalkylkraft, utan sätter också en ny standard för utveckling och testning av kvantalgoritmer.
Utmaningarna i att simulera 50 qubits på klassisk hårdvara
Att simulera en kvantdator med 50 qubits på konventionell klassisk hårdvara är en monumental utmaning, främst på grund av den exponentiella skalningen av kvanttillstånd. Mer konkret fördubblas såväl beräknings- som minneskrav vid tillägg av varje qubit. Där en vanlig laptop smidigt kan hantera simuleringar på ca 30 qubits, kräver simuleringen av 50 qubits närmare 2 petabyte minne – motsvarande runt två miljoner gigabyte – vilket bara toppmoderna superdatorer kan erbjuda. Det här illustrerar tydligt den symbiotiska utvecklingen mellan högpresterande datorsystem och kvantforskning idag, som professor Kristel Michielsen understryker.
Simuleringen innebär en extremt detaljerad replikation av kvantmekaniken i en verklig kvantprocessor. Varje kvantoperation, som att applicera en kvantgrind, kräver koordinering och beräkning av över 2 kvadriljoner (2×10^15) komplexa numeriska värden, spridda över tusentals beräkningsnoder. Detta kräver avancerad synkronisering och effektiv kommunikation mellan beräkningsenheterna i JUPITER.
Källa: arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2511.03359
Teknologiska innovationer driver genombrottet
Nyckeln till att lyckas med denna simulering ligger i JUPITER:s unika noddesign, där varje beräkningsnod innehåller fyra NVIDIA GH200-superchips, var och en med integrerade CPU- och GPU-komponenter. Detta hybridsystem tillåter effektiv datahantering där data som överskrider GPU-minnets kapacitet tillfälligt lagras i CPU-minnet med minimal prestandaförlust – en avgörande förbättring för att hantera enorma minnesbehov.
Vidare har NVIDIA Application Lab tillsammans med Jülich Supercomputing Center kraftigt förbättrat simuleringsprogramvaran JUQCS (Jülich Universal Quantum Computer Simulator). Den senaste versionen, JUQCS-50, optimerar kvantoperationer så att de kan genomföras effektivt trots dataflödet mellan CPU och GPU. En bytekodbaserad komprimeringsmetod reducerar minneskraven åtta gånger, och den nya dynamiska algoritmen optimerar datautbytet mellan över 16 000 GH200-superchips, vilket gör massiv parallellism hanterbar.
Professor Hans De Raedt, huvudförfattare till studien, lyfter fram potentialen: med JUQCS-50 kan universella kvantdatorer emuleras med hög precision, vilket möjliggör att ta itu med problemområden som ännu inte är tillgängliga för även de mest avancerade kvantprocessorer.
Framtidssatsningar och bredare tillgång
Den nya simuleringsplattformen integreras inom Jülichs kvantinfrastruktur JUNIQ (Jülich UNified Infrastructure for Quantum Computing) och kommer att tillgängliggöras för forskare och industripartners globalt. Detta utgör ett kraftfullt verktyg för både kvantalgoritmutveckling och validering samt fungerar som riktmärke för framtida design av exaskala-system.
Det banbrytande arbetet är ett praktexempel på framgångsrikt samarbete mellan hårdvaru- och mjukvaruutvecklare, tack vare tidig samordning inom JUPITER Research and Early Access Program (JUREAP). Dr Andreas Herten, medlem i JUPITER:s projektteam, betonar hur det gemensamma designarbetet mellan Jülich och NVIDIA under exaskala-superdatorns konstruktionsfas var avgörande för att maximera systemets potential.
Den första fullständiga simuleringen av en 50-qubit universell kvantdator markerar ett nytt kapitel i kvantberäkning: genom innovativ hårdvaruarkitektur och sofistikerad programvara har Jülichs JUPITER-superdator satt en ny världspost. Denna framgång fördjupar vår förståelse för komplex kvantmekanik, accelererar utvecklingen av kvantalgoritmer och ger viktiga insikter för design av framtidens kvantsystem – allt innan motsvarande kvantmaskiner finns tillgängliga i praktiken. Det är en vision av kvantforskning och högpresterande databehandling som allt mer går hand i hand, och öppnar dörren mot lösningar på problem som än så länge är bortom räckhåll för både klassiska och kvantbaserade teknologier.
