NVIDIA 在于利希超级计算中心完成创纪录的容错量子计算模拟

新闻摘要：

• NVIDIA 研究人员正在使用 JUPITER (欧洲最大规模超级计算机，由德国于利希超级计算中心建造) 进行一项创纪录的容错量子计算模拟。
• 此次 104 量子比特的模拟是迄今为止规模最大的容错量子计算系统全面模拟，此前没有任何模拟能够如此详细地对量子处理器进行建模。
• 该模拟验证了一种全新的量子计算方法，与以往方法相比，该方法所需的物理量子比特减少了 90%，有望加速药物研发、金融建模和材料科学等实用领域的进展。
• JUPITER 的模拟为量子行业提供了关于噪声对容错量子计算影响的切实洞察，使研究人员能够在构建硬件之前优化设计方案，从而将实现实用型量子计算机的进程缩短数年。

NVIDIA 今日宣布在欧洲首台百亿亿次级超级计算机 JUPITER 上完成了一项创纪录的量子计算模拟，该模拟使研究人员能够全面探索和验证魔态培育 (Magic State Cultivation) —— 这是一种领先的容错量子计算方法，所需的量子比特较以往方法减少 90%。

此次 104 量子比特的模拟运行于于利希超级计算中心搭载 NVIDIA GH200 超级芯片的系统上，是迄今为止针对容错量子处理器进行的最大规模的全面模拟，首次对真实量子处理器在创纪录规模下执行容错计算的过程进行了建模。

这种高保真度的模拟为研究人员提供了必要的数据和工具，使他们能够在构建未来设计方案之前预测其性能，减少了对硬件反复试错的依赖，并有望加速量子计算在药物研发、金融建模和材料科学等领域实用化进程。

NVIDIA 创始人兼首席执行官黄仁勋表示：“实用的量子计算需要极其复杂、容错性极强的系统，而了解这些系统在大规模运行下的表现对于构建它们至关重要。我们在于利希超级计算中心的研究成果展示了量子处理器和 GPU 超级计算机如何协同工作，以攻克原本难以企及的研究，从而加速变革性量子应用的发现。”

德国于利希研究中心下属的于利希超级计算中心主任 Kristel Michielsen 表示：“欧洲对 JUPITER 的投资赋予了研究人员探索此前难以触及问题的能力。通过与 NVIDIA 合作，我们正在将这种能力引入量子计算领域，帮助科学家更有依据地判断哪些设计最有可能实现实用应用。”

降低实用型量子计算的资源需求

由于量子比特在物理极限附近运行，控制它们所需的相互作用会引入不可避免的、导致错误的噪声。在这种噪声环境下进行计算 (即容错量子计算) 需要使用“魔态”(magic states) —— 这是一种特殊的量子比特排列方式，在容错量子计算过程中会被持续消耗。

容错量子计算机的关键在于反复制备魔态，因此任何对魔态制备方式的优化，都会大幅降低构建实用型量子计算机的难度。

通过在真实噪声环境下模拟这一过程，NVIDIA 研究人员验证了一种最先进的“魔态培育”方法，为研究人员开发和测试未来的改进方案提供了必要工具。

此前，于利希的突破性研究曾在理想的、无噪声条件下模拟了 50 个量子比特。而本次研究则在真实硬件噪声下模拟了“魔态培育”，帮助研究人员深入了解错误的影响。

从研发到百亿亿次级模拟

模拟“魔态培育”有助于研究人员在构建量子硬件之前评估和优化设计方案。但随着量子比特数量的增加，所需的内存呈指数级增长，这使得大规模模拟超出了传统计算系统的能力范围。

NVIDIA 加速量子研究中心(NVAQC) 的一套 NVIDIA Grace Blackwell 系统作为 JUPITER 项目的开发平台，使研究人员能够在迁移至 JUPITER 的 8,192 块 GPU 之前，将测试规模从 4 块 GPU 逐步扩展至数百块。

研究人员借助该中心加速模拟方法的开发和测试，将结果与 JUPITER 上的结果进行交叉验证，并探索计算精度如何随着计算资源的增加而提升。这项工作将原本需要数周的模拟工作缩短至数天，同时使团队为有效利用 JUPITER 的百亿亿次级算力做好了准备。

该项目表明，随着量子计算系统规模不断扩大，模拟将变得日益重要和复杂。同时，这也凸显了加速计算集群 (如 NVAQC) 的实用价值，使研究人员能够在动用世界级超级计算机进行最严苛的计算之前，先完成模拟方法的开发与验证。

此次模拟使用了 NVIDIA cuQuantum 软件以实现高度优化的性能和扩展性，并结合 NVIDIA CUDA-Q 平台的容错逻辑层来表达魔态电路。

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