Simulación cuántica
Dennis Lenz
(Imagen simbólica) Una simulación en el superordenador JUPITER de Jülich ha recreado un procesador cuántico de 104 qubits tolerante a fallos que incluye errores de hardware realistas. Más de 8.000 procesadores gráficos hicieron posible el cálculo. Validar el cultivo del estado mágico reduce la necesidad de qubits físicos en aproximadamente un 90%. Estos gemelos digitales ayudan a desarrollar hardware cuántico de forma más rápida y segura. Las aplicaciones van desde la investigación de materiales hasta el desarrollo de fármacos.
(Foto: © Investigación y conocimiento, imagen de IA)
Una simulación realizada en el superordenador europeo de exaescala JUPITER ha recreado un procesador cuántico tolerante a fallos con 104 qubits incorporando errores de hardware realistas. NVIDIA utilizó para ello procesadores gráficos 8192 GH200. El cálculo validó el cultivo del estado mágico, un método que reduce la necesidad de qubits físicos en aproximadamente un 90% en comparación con los métodos anteriores. Esto nos permite probar estrategias de corrección de errores y el comportamiento de sistemas grandes antes de construir costoso hardware cuántico. Los hallazgos respaldan los avances en la ciencia de materiales, la modelización financiera y el descubrimiento de fármacos.
Las computadoras cuánticas utilizan los principios de la mecánica cuántica, particularmente la superposición y el entrelazamiento, para realizar ciertos cálculos mucho más rápido que las computadoras clásicas. A diferencia de un bit clásico, un qubit puede asumir no sólo el estado 0 o 1, sino también la superposición de ambos estados. El entrelazamiento conecta diferentes qubits de tal manera que su estado común ya no puede describirse como el producto de los estados individuales. Estas propiedades permiten cálculos paralelos, pero hacen que los sistemas sean extremadamente sensibles a las interferencias del entorno.
Los errores causados por ruido, interacciones de qubits o control incompleto provocan pérdida de información. Por lo tanto, las arquitecturas tolerantes a fallos son necesarias para que los ordenadores cuánticos puedan utilizarse en la práctica. Los qubits lógicos se construyen a partir de muchos qubits físicos para que se puedan detectar y corregir errores. Simular tales sistemas en supercomputadoras clásicas es complejo porque el espacio de estados crece exponencialmente con el número de qubits.
La simulación en JÚPITER
JUPITER en el Centro de Investigación de Jülich es el primer superordenador a exaescala de Europa y alcanza un rendimiento de más de un billón de operaciones informáticas por segundo. Para la simulación cuántica se utilizaron 8192 superchips NVIDIA GH200 Grace Hopper. El cálculo modeló un procesador cuántico realista que realiza operaciones tolerantes a fallas, teniendo en cuenta los errores típicos del hardware. Las simulaciones anteriores, incluido un cálculo de 50 qubits en el mismo sistema, consideraron condiciones idealizadas y sin ruido. El nuevo trabajo llena este vacío y proporciona datos sobre cómo el ruido afecta el rendimiento.
La simulación se desarrolló inicialmente en clústeres más pequeños con unas pocas GPU y gradualmente se fue ampliando hasta cientos y finalmente hasta la configuración completa. Esto redujo el tiempo de procesamiento de semanas a días. Se utilizaron pilas de software optimizadas y la capa lógica NVIDIA Quantum Cloud para expresar los circuitos para el cultivo del estado mágico. El resultado es una de las simulaciones más completas hasta el momento de un sistema cuántico tolerante a fallos con modelado de errores realista.
Cultivo del estado mágico y conservación de recursos.
Las llamadas puertas de Clifford no son suficientes para realizar cálculos cuánticos universales. Se requieren operaciones adicionales, que se implementan mediante estados auxiliares especiales, los estados mágicos. Estos estados deben producirse con alta precisión, lo que tradicionalmente requiere muchos qubits físicos y complejos procesos de destilación. El cultivo de estados mágicos es un enfoque en el que los estados necesarios se crean, prueban y aumentan gradualmente. Se utilizan menos recursos que los métodos de destilación clásicos.
La simulación en JUPITER confirmó que este enfoque puede reducir la necesidad de qubits físicos en aproximadamente un 90%. Esto significa procesadores cuánticos más pequeños, más fríos y potencialmente más baratos. Al mismo tiempo, el cálculo proporcionó información sobre cómo las diferentes tasas de error afectan la calidad de los estados mágicos creados. Esta información ayuda a definir los parámetros de diseño del hardware futuro con mayor precisión y a reducir el esfuerzo de prueba y error en el desarrollo.
Importancia para la investigación y las aplicaciones.
Jensen Huang, fundador y director ejecutivo de NVIDIA, señaló que la computación cuántica útil requiere sistemas extremadamente complejos tolerantes a fallas, y comprender su comportamiento a gran escala es fundamental. Los resultados de Jülich mostraron cómo los procesadores cuánticos y las supercomputadoras GPU permiten juntos investigaciones que de otro modo serían inalcanzables. Kristel Michielsen, directora del Centro de Supercomputación de Jülich, destacó que la inversión europea en JUPITER permite a los investigadores investigar cuestiones que antes estaban fuera de su alcance. La colaboración con NVIDIA lleva esta funcionalidad a la computación cuántica y respalda decisiones más informadas sobre diseños prometedores.
Los resultados son prácticamente relevantes para la simulación de moléculas y materiales. Muchos procesos químicos y físicos sólo pueden describirse aproximadamente utilizando ordenadores clásicos. Los ordenadores cuánticos tolerantes a fallos podrían proporcionar predicciones más precisas, por ejemplo, sobre nuevos catalizadores, materiales para baterías o ingredientes activos. También se esperan beneficios en actividades de optimización o modelado financiero. La simulación no reemplaza los experimentos físicos, pero proporciona predicciones confiables sobre el comportamiento de las arquitecturas planificadas y acorta el camino de desarrollo.
Limitaciones y próximos pasos
El cálculo sigue siendo una simulación clásica de un sistema cuántico. Describe el comportamiento basándose en modelos de error supuestos, pero no puede capturar completamente todos los efectos reales del hardware. La ampliación a un número aún mayor de qubits sigue superando los límites de la potencia informática disponible, incluso cuando los sistemas de exaescala amplían significativamente el rango. Validar el cultivo del estado mágico es un paso importante, pero la implementación práctica en procesadores cuánticos reales requiere una mayor confirmación experimental. Los resultados de laboratorio actuales, por ejemplo en sistemas superconductores, indican que este enfoque puede reducir significativamente las tasas de error.
El trabajo demuestra las ventajas de los enfoques híbridos en los que los superordenadores clásicos simulan y optimizan el hardware cuántico. Se espera que estos gemelos digitales desempeñen un papel central hasta que estén disponibles grandes computadoras cuánticas tolerantes a fallas. Le permiten tomar decisiones de diseño antes y con menos riesgo. Están previstas más simulaciones con modelos de error aún más realistas y sistemas más grandes para profundizar en los resultados.
NVIDIA, simulación récord de computación cuántica tolerante a fallos en el Centro de Supercomputación de Jülich
