JUPITER otevírá cestu ke kvantovým počítačům
Evropský superpočítač JUPITER, uvedený do provozu v září letošního roku, zaznamenal historický průlom, když jako první zařízení svého druhu přesně nasimuloval kvantový počítač s 50 qubity. To otevírá cestu k vývoji algoritmů a aplikací, které zatím přesahují možnosti reálného hardwaru.
Joint Undertaking Pioneer for Innovative and Transformative Exascale Research neboli JUPITER, je vlajková loď Superpočítačového výzkumného centra v německém Jülichu (JSC) a první evropský superpočítač kategorie exascale, který dosáhl této úrovně mimo USA.
Je nejrychlejším svého druhu v Evropě a tímto výkonem dosaženým ve spolupráci se specialisty společnosti Nvidia překonal hranici možností klasického počítače. Zjednodušeně řečeno, simuluje stroje, které ještě neexistují a umožní zkoumat a vyvíjet algoritmy, jež zatím nejsou spustitelné kvůli technickým omezením současných procesorů. Je schopen potenciálně vyvinout i programy tak složité, že je zatím nelze prakticky realizovat (jsou připravené na dobu, kdy to pokrok v oblasti hardware dovolí).
Přechod na kvantovou výpočetní techniku však přináší i výzvy. Kromě samotného vývoje hardwaru odolného proti chybám (což je zatím jedno ze známých úskalí kvantové technologie) a potřeby vytvořit účinné kvantové algoritmy, to vyžaduje i celkovou změnu přístupu ke zpracování informací. Na rozdíl od klasických bitů vyjádřených jen hodnotu 0 nebo 1, mohou qubity (nejmenší jednotky kvantové informační teorie a základní nosiče informace v kvantovém světě), díky fenoménu označovaném jako superpozice, existovat ve více stavech najednou, což také umožňuje kvantovým počítačům provádět složité výpočty rychlostí pro klasické počítače nedosažitelnou.
Simulace kvantových výpočtů je extrémně náročný proces vzhledem k tomu, že každý další qubit exponenciálně zvyšuje složitost výpočtu – zdvojnásobuje nároky na paměť i výpočetní výkon počítače, takže toto škálování se od určité úrovně stává neúnosným.
Pro představu: Špičkový výkonný notebook dokáže zpracovat cca 30 qubitů, ovšem nasimulovat jich 50, tzn. o 20 více, což je právě zmíněný fenomenální výkon kvantového systému v Jülichu, by si již vyžádalo neuvěřitelné dva petabajty (2000 TB!) paměti. To v současnosti nabízejí jen největší superpočítače na světě, a mj. také vývoj nové verze speciálního simulačního softwaru JUQCS (Jülich Universal Quantum Computer Simulator). Tato nová iterace softwaru s označením JUQCS-50 disponuje hybridní paměťovou architekturou GH200, a využívá dynamický algoritmus neustále průběžně optimalizující datovou výměnu mezi 16 000 superčipy GH200 firmy Nvidia (celkově jich JUPITER tvoří 24 tis.). Dočasně přesouvá data z paměti GPU do CPU s minimální ztrátou výkonu, což umožňuje obejít limity přesahující kapacity GPU a také pomocí vestavěného účinného kompresního protokolu dokáže snížit požadavky na paměť potřebnou k simulaci na osminu objemu používaného předchozí verzí.
Simulace umožňuje emulovat kvantový počítač s vysokou přesností – replikuje složitou kvantovou fyziku skutečného procesoru v plných detailech. Každá operace, např. aplikace kvantové brány, ovlivňuje více než dva kvadriliony komplexních číselných hodnot, tj. v číselném vyjádření „2“ s 15 nulami. Tyto hodnoty musí být synchronizovány napříč tisíci výpočetními uzly, aby bylo možné přesně replikovat fungování skutečného kvantového procesoru.
JUPITER je pozoruhodný nejen svým extrémním výkonem, ale i z hlediska nyní adorované udržitelnosti – vykazuje energetickou účinnost, která se zařadila k nejlepším hodnotám svého druhu mezi pěti nejrychlejšími superpočítači na světě, a jeho chladicí systém umožňující i následné využití odpadního tepla vyžaduje menší spotřebu energie než jiná podobná zařízení.
Kamil Pittner
Foto: Forschungszentrum Jülich/Sascha Kreklau
40
