تمكن علماء من مركز Jülich للحوسبة الفائقة (JSC) في ألمانيا، بالتعاون مع مهندسي NVIDIA، من محاكاة كمبيوتر كمي للأغراض العامة بسعة 50 كيوبت على نظام كلاسيكي لأول مرة. ونشرت الدراسة بتاريخ arXiv ويُنظر إليه بالفعل على أنه علامة فارقة مهمة في مجال الحوسبة عالية الأداء، مما يسمح بذلك تفوق قدرات المعالجات الكمومية الحديثة.

تجاوز الكمبيوتر العملاق JUPITER، وهو الإكساسكيل والأكبر في أوروبا، الرقم القياسي السابق البالغ 48 كيوبت، والذي سجله أيضًا متخصصون من Jülich. يعمل كل كيوبت جديد على مضاعفة الذاكرة والمتطلبات الحسابية، مما يجعل عمليات المحاكاة الكلاسيكية للدوائر الكمومية صعبة للغاية. تتطلب محاكاة 50 كيوبت حوالي 2 بيتابايت من ذاكرة الوصول العشوائي والحد الأقصى للحمل على شرائح GH200 الفائقة، في حين أن الكمبيوتر المحمول العادي يمكنه العمل فقط مع 30 كيوبت.

مقياس المحاكاة والدقة

وقال البروفيسور كريستل ميشيلسن: “إن أكبر أجهزة الكمبيوتر العملاقة فقط هي القادرة على ذلك”.

يقوم جهاز محاكاة JUQCS-50 بإعادة إنتاج فيزياء المعالج الكمي بدقة عالية. تعالج كل بوابة كمومية أكثر من كوادريليون رقم مركب منتشرة عبر آلاف العقد، مما جعل مثل هذه الحسابات في السابق شبه مستحيلة.

يستخدم JUQCS-50 بنية الذاكرة الهجينة الخاصة بـ GH200، حيث يقوم بتفريغ البيانات مؤقتًا من وحدات معالجة الرسومات إلى ذاكرة وحدة المعالجة المركزية دون فقدان كبير للسرعة. يعمل نظام ضغط البايت الجديد على تقليل استهلاك الذاكرة بمقدار ثماني مرات، ويضمن تحسين تدفق البيانات الديناميكي المزامنة بين أكثر من 16.000 شريحة فائقةوهو أمر بالغ الأهمية لنمذجة الدوائر الكمومية المعقدة.

اختبار لخوارزميات الكم

تسمح لك عمليات المحاكاة على 50 كيوبت باستكشاف تقنيات المحاكاة الجزيئية، بما في ذلك محلل القيمة الذاتية الكمية المتغيرة (VQE)، بالإضافة إلى خوارزميات التحسين مثل QAOA. توفر مثل هذه التجارب فرصة لاختبار فعالية الخوارزميات الكمومية ودراسة سلوكها قبل ظهور معالجات كمومية ناضجة قادرة على التعامل مع عشرات أو مئات الكيوبتات.

وقال البروفيسور هانز دي رايدت، المؤلف الرئيسي للدراسة: “مع JUQCS-50، يمكننا محاكاة أجهزة الكمبيوتر الكمومية ذات الأغراض العامة وحل المشكلات التي لا يمكن للمعالجات الكمومية الحديثة الوصول إليها”.

بنية ومستقبل الحوسبة الكمومية

سيتم دمج عمليات المحاكاة في JUNIQ، وهي البنية التحتية الموحدة للحوسبة الكمومية لـ Jülich والمفتوحة للباحثين والشركات. نشأ المشروع من برنامج JUREAP، حيث تم تطوير أجهزة وبرامج JUPITER بالاشتراك مع مهندسي NVIDIA خلال مرحلة بناء الكمبيوتر العملاق.

وقال الدكتور أندرياس هيرتن: “لقد سمح لنا التطوير المشترك بدمج الحلول البرمجية على النحو الأمثل في منصة الأجهزة”.

يوضح هذا الإنجاز مدى الارتباط الوثيق بين أجهزة الكمبيوتر العملاقة الكلاسيكية القوية والأبحاث الكمومية. يسمح كوكب المشتري للعلماء بتجربة خوارزميات جديدة، ومراقبة كيفية تصرف الكيوبتات، وتحسين تصميمات الدوائر الكمومية قبل إجراء مثل هذه التجارب على الآلات الكمومية الحقيقية. يؤدي ظهور مثل هذه المحاكاة إلى تسريع تطور العلوم الكمومية ويمهد الطريق لأجهزة الكمبيوتر الكمومية العملية في المستقبل.

تُعد محاكاة 50 كيوبت بمثابة معيار لأجهزة الكمبيوتر العملاقة وأجهزة المحاكاة الكمومية المستقبلية. فهو يسمح لك باختبار أداء الخوارزميات المعقدة على نطاق حقيقي، وتحديد الأخطاء المحتملة في النماذج، واستكشاف الأساليب الواعدة للحوسبة الكمومية قبل وقت طويل من ظهور الأجهزة الكمومية ذات الإنتاج الضخم.

واختتم هيرتن حديثه قائلاً: “إن إنجاز كوكب المشتري يعد خطوة مهمة نحو التكامل بين الحوسبة الكمومية والكلاسيكية ويضع الأساس للأبحاث المستقبلية التي لم تكن ممكنة من قبل”.