Evropa dosáhla historického skoku: JUPITER simuluje kvantový procesor, který manipuluje s více než dvěma kvadriliony dat při každé operaci
Simulace umožňuje studovat, jak by fungovaly kvantové počítače budoucnosti, aniž by byl zatím k dispozici skutečný hardware schopný dosáhnout této úrovně. Evropský superpočítač JUPITER dosáhl dosud nevídaného: krok za krokem rekapituluje, jak funguje skutečný kvantový procesor. Tento úspěch pochází z Forschungszentrumu Jülich, jednoho z největších výzkumných center v Evropě nacházejícího se v Německu, které se specializuje na supercomputing, energetiku, neurovědu a kvantovou technologii. Odtud se vědcům podařilo reprodukovat fyziku vnitřku kvantového čipu s bezprecedentní úrovní detailnosti, což otvírá nové možnosti pro výzkum napříč celým kontinentem.
Co činí tuto simulaci zvláštní, je množství informací, které zpracovává. Podle samotného Forschungszentrumu Jülich manipuluje každá operace simulovaného kvantového procesoru s více než dvěma kvadriliony komplexních číselných hodnot. Jsou to čísla, která se špatně představují: kvadrilion je ‚1‘ následovaný patnácti nulami. Jinými slovy, jedna jediná operace zpracovává více dat, než by normální počítač mohl zvládnout během celé své životnosti.
Abychom pochopili, proč je to tak složité, stačí si připomenout, že kvantové počítače fungují odlišně od současných. Namísto práce s nulami a jedničkami, jejich základní jednotky — qubity — mohou být v několika stavech současně. Tato vlastnost je činí velmi výkonnými, ale také nesmírně obtížnými k napodobení pomocí klasické technologie.
Úspěchy JUPITERu
Simulace provedená na JUPITERu reprodukuje kvantový procesor s 50 qubity, a její preciznost vyžaduje téměř nepředstavitelnou paměť: přibližně 2 petabyty, což odpovídá dvěma milionům gigabajtů. Abychom to lépe pochopili, bylo by zapotřebí asi 2.000 pevných disků o jednom terabajtu — typických, které se prodávají v obchodech — pro uložení této množství dat.
Tato náročnost na paměť je hlavním důvodem, proč byla simulace kompletního kvantového počítače až dosud prakticky nepřekonatelným úkolem i pro nejvýkonnější superpočítače na světě. Výsledky, které přináší evropské výzkumné centrum, „překonávají předchozí světový rekord 48 qubitů, který stanovili výzkumníci z Jülichu v roce 2019 na superpočítači K v Japonsku“. „To dokazuje obrovskou výpočetní sílu JUPITERu a otevírá nové obzory pro vývoj a testování kvantových algoritmů,“ dodávají.
Tento milník však neznamená, že už existuje plně funkční praktický kvantový počítač s 50 qubity — technologie musí ještě překonat výzvy jako je korekce chyb nebo stabilita qubitů —, ale umožňuje testování algoritmů, předvídání problémů a rychlejší pokrok k těmto budoucím systémům.
Strategický impuls pro Evropu
Pro Evropu to znamená strategický impuls: posiluje její postavení v pokročilé supercomputing a snižuje závislost na externích infrastrukturách v oblasti klíčové pro vědu, průmysl a digitální bezpečnost.
Jak se tento pokrok podařil
Tento úspěch nezávisí pouze na výkonnosti JUPITERu, ale také na kombinaci několika nových myšlenek, které lépe využívají jeho paměť a hardware. První klíč leží v superčipech NVIDIA GH200, které spojují CPU a GPU v jednom kusu. To umožňuje, že když paměť GPU nestačí, část dat se automaticky přesune do paměti CPU, aniž by se výkon snížil. Díky tomuto hybridnímu systému může JUPITER zpracovávat více informací, než by běžně dovolila samotná GPU.
Druhým klíčem byla práce týmu z Jülichu a NVIDIA na vylepšení jejich kvantového simulátoru. Vytvořili novou verzi nazvanou JUQCS-50, která je navržena pro práci právě s touto kombinací pamětí. Tak, i když jsou data rozložena mezi CPU a GPU, simulace stále funguje plynule.
Kromě toho přidali dvě významné vylepšení:
- Metodu komprese, která snižuje potřebnou paměť až osmkrát.
- Systém, který optimalizuje, jak se data pohybují mezi čipy.
Odpovědní pracovníci projektu vysvětlují, že tento nástroj, JUQCS-50, bude také dostupný pro další instituce prostřednictvím kvantové infrastruktury Jülichu, nazvané JUNIQ, což umožní, aby jej více výzkumníků mohlo využít v budoucnu.
JUPITER: Stroj, který umožňuje nemožné
Na první pohled by se JUPITER mohl jevit jako ‚pouhý‘ další superpočítač v dlouhém seznamu obřích strojů, které Evropa shromáždila během posledních desetiletí. Ale stačí vstoupit do obrovské budovy Forschungszentrumu Jülich a uvědomit si, že zde se děje něco jiného.
Chodba se rozšiřuje do místnosti tak velké jako čtyři tenisové kurty, osvětlené stálým zářením tisíců indikátorů. Pod technickým podlahovým systémem procházejí 260 kilometrů kabeláže, která spojuje každý modul systému, jako by to byly neurony obrovského mozku. A v jistém smyslu to tak i je: toto je srdce evropské supercomputace.
JUPITER není postaven jako tradiční superpočítače. Jeho modulární architektura — něco jako technologické město postavené čtvrtěmi — umožňuje jej rozšiřovat nebo aktualizovat bez jeho zbourání. Uvnitř jeho černých skříní bije 24.000 superchipů NVIDIA GH200, kombinace procesorů a GPU navržená pro zpracování objemů dat, které žádný ‚normální‘ počítač nemůže ani snít.
Každý z těchto čipů pracuje ruku v ruce díky ultrarychlé interconnect síti. Výsledkem je výpočetní kapacita, která překračuje kvintilion operací za sekundu, což je číslo, které se těžko vyslovuje. Prakticky je to, jako by celá světová populace prováděla matematické operace bez zastavení po tisíce let … a přesto se ani nepřiblíží tomu, co JUPITER vyřeší během okamžiku.
A přesto, nejvíce překvapující na tomto stroji není jeho hrubá síla, ale jak ji využívá. Jeho systém přímého kapalného chlazení udržuje stabilní tisíce jeho komponentů, zatímco znovu využívá teplo k vytápění budov na vlastním kampusu. Nejenže láme výkonové rekordy: také dominoval v žebříčku Green500, který klasifikuje nejefektivnější superpočítače planety. JUPITER již pracuje na ultrapřesných klimatických modelech, biomolekulárních simulacích, nových materiálech a udržitelných energiích a nyní na něčem ještě ambicióznějším: přesnou reprodukcí chování skutečného kvantového procesoru.
