Deutsche Forscher pulverisieren den alten Quanten-Rekord

Das Forschungszentrum Jülich hat mit dem Supercomputer JUPITER einen neuen Weltrekord aufgestellt: Die erste vollständige Simulation eines 50-Qubit-Quantencomputers, ein echter Meilenstein im Wettlauf zwischen klassischen Supercomputern und Quantencomputern. Das galt lange als praktisch kaum machbar, weil die benötigte Rechenleistung exponentiell explodiert. Die Wissenschaftler aus Deutschland konnten beweisen, wie extrem leistungsfähig Europas neuer Supercomputer JUPITER ist.

Ein normaler Computer rechnet mit Bits, also 0 oder 1. Ein Quantencomputer arbeitet dagegen mit Qubits. Die können gleichzeitig mehrere Zustände annehmen. Genau deshalb werden Quantencomputer bei bestimmten Problemen extrem mächtig. Schon wenige zusätzliche Qubits vervielfachen die Komplexität brutal. 50 Qubits bedeuten theoretisch über eine Billiarde mögliche Zustände gleichzeitig. Deshalb spricht man oft davon, dass ab etwa 50 Qubits die klassische Simulation "unpraktisch" wird.

Und genau hier kommt Jülich Supercomputing Centre ins Spiel. Mit dem neuen Exascale System JUPITER gelang es, einen vollständigen 50 Qubit Quantenzustand nachzubilden. Exascale bedeutet: Der Rechner schafft mehr als eine Trillion Rechenoperationen pro Sekunde. Das ist eine Größenordnung, bei der klassische Supercomputer langsam in Regionen vorstoßen, die bisher als exklusives Terrain von Quantencomputern galten.

In der Quantenwelt verdoppelt jedes zusätzliche Qubit den Rechenaufwand und den benötigten Speicher:

• Ein Laptop schafft etwa 30 Qubits.
• Für 50 Qubits brauchten die Forscher 2 Petabyte Arbeitsspeicher (das sind ca. 2.000.000 Gigabyte!).
• Jeder einzelne Rechenschritt muss über 2 Billiarden (eine 2 mit 15 Nullen) numerische Werte gleichzeitig koordinieren.

Möglich wurde dies durch eine enge Kooperation zwischen dem Jülich Supercomputing Centre (JSC) und NVIDIA:

1. Super-Chips: Zum Einsatz kamen über 16.000 "NVIDIA GH200"-Chips, die CPU und Grafikprozessor (GPU) extrem schnell verbinden.
2. Software-Tricks: Das Team entwickelte die Software JUQCS-50. Diese nutzt eine spezielle Kompression, die den Speicherbedarf um den Faktor 8 reduziert.
3. Datenaustausch: Ein dynamisches System optimierte den Datenfluss zwischen den tausenden Rechenknoten in Echtzeit.

Echte Quantencomputer sind aktuell noch sehr fehleranfällig. Simulationen auf Supercomputern wie JUPITER dienen als "Goldstandard":

• Fehlersuche: Man kann prüfen, ob ein echter Quantenchip richtig rechnet.
• Algorithmen-Test: Forscher können neue Quanten-Software (z. B. für Medikamentenentwicklung oder Logistik-Optimierung) testen, bevor die passende Hardware existiert.