Nvidia simula en JUPITER un ordenador cuántico tolerante a fallos de 104 cúbits

Imagen: NVIDIA / Forschungszentrum Jülich (Sascha Kreklau)

Nvidia ha ejecutado en JUPITER, el primer superordenador exaescala de Europa, la que presenta como la mayor simulación completa hecha hasta la fecha de un procesador cuántico tolerante a fallos: 104 cúbits con ruido realista, sobre 8.192 GPU del Centro de Supercomputación de Jülich. Lo anunció el lunes 19 de octubre en una nota de prensa, en la que describe JUPITER también como el mayor superordenador de Europa.

El interés del trabajo está en lo que valida. La simulación pone a prueba el cultivo de estados mágicos (magic state cultivation), uno de los enfoques punteros de la computación cuántica tolerante a fallos que, de acuerdo con Nvidia, necesita un 90 % menos de cúbits físicos que los métodos anteriores. La compañía sostiene que ese ahorro acerca las aplicaciones útiles de la computación cuántica en campos como el descubrimiento de fármacos, la modelización financiera y la ciencia de materiales.

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Por qué importan los estados mágicos

Los cúbits trabajan en los límites de la física, y las interacciones necesarias para controlarlos introducen un ruido inevitable que provoca errores. Calcular en presencia de ese ruido es lo que se conoce como computación cuántica tolerante a fallos, y exige usar estados mágicos: una disposición concreta de cúbits que se va consumiendo de forma continua durante el cálculo.

Como un ordenador cuántico tolerante a fallos depende de producir estados mágicos una y otra vez, cualquier mejora en la forma de fabricarlos reduce de manera drástica la dificultad de construir una máquina útil. Ahí entra el cultivo de estados mágicos, el método que Nvidia ha comprobado en JUPITER: sus investigadores simularon ese proceso con ruido realista y validaron un enfoque puntero de cultivo, lo que da a la comunidad investigadora herramientas para desarrollar y probar mejoras futuras.

El nivel de fidelidad es la otra clave. La simulación reproduce cómo un procesador cuántico realista ejecuta un cálculo tolerante a fallos a una escala récord, y Nvidia asegura que ninguna simulación anterior había modelado procesadores cuánticos con tanto detalle. Con esos datos, los investigadores pueden predecir el rendimiento de diseños futuros antes de construirlos, depender menos del ensayo y error con máquinas reales y pulir los diseños antes de fabricarlos, algo que, en palabras de la compañía, acorta en años el camino hacia ordenadores cuánticos viables.

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De 50 cúbits ideales a 104 con ruido

El salto se entiende mejor con el trabajo previo de Jülich, que ya había simulado 50 cúbits en condiciones ideales, sin ruido. La nueva simulación duplica con creces esa cifra y, sobre todo, incorpora el ruido real del hardware, que es lo que permite medir el impacto de los errores en el cultivo de estados mágicos.

Llegar hasta ahí exige mucha máquina, porque la memoria necesaria para simular un procesador cuántico puede crecer de forma exponencial con el número de cúbits, y eso deja las simulaciones grandes fuera del alcance de los sistemas de computación convencionales. Estas son las cifras que da Nvidia:

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De cuatro GPU a 8.192

Antes de llegar a JUPITER, el proyecto se preparó en casa. La plataforma de desarrollo fue un sistema GB200 NVL72 del Centro de Investigación Cuántica Acelerada de Nvidia (NVAQC, por sus siglas en inglés), donde el equipo escaló sus pruebas desde cuatro GPU hasta cientos antes de dar el paso a las 8.192 GPU de JUPITER, que funciona con superchips GH200 de Nvidia.

Ese centro sirvió para acelerar el desarrollo y las pruebas de los métodos de simulación, comparar resultados con JUPITER y estudiar cómo mejoraba la precisión al añadir más recursos de cálculo. Gracias a ello, una simulación que antes llevaba semanas se quedó en días, y el equipo llegó preparado para aprovechar bien la capacidad exaescala del superordenador.

Las simulaciones se ejecutaron con el software cuQuantum de Nvidia, que aportó un rendimiento muy optimizado y la escala necesaria, y con la capa lógica tolerante a fallos de la plataforma CUDA-Q, con la que se expresó el circuito de los estados mágicos.

Para Nvidia, el proyecto demuestra que la simulación será cada vez más importante y más compleja a medida que crezcan los sistemas de computación cuántica. También defiende la utilidad de clústeres de computación acelerada como el del NVAQC, que permiten desarrollar y validar los métodos de simulación antes de recurrir a superordenadores de primer nivel para los cálculos más exigentes.

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Lo que dicen Jensen Huang y Kristel Michielsen

«La computación cuántica útil exigirá sistemas tolerantes a fallos de una complejidad fantástica, y entender cómo se comportan a gran escala es esencial para construirlos», afirmó Jensen Huang, fundador y consejero delegado de Nvidia. «Nuestros resultados de Jülich muestran cómo los procesadores cuánticos y los superordenadores de GPU pueden trabajar juntos para abordar investigaciones que de otro modo quedarían fuera de alcance, y acelerar así el descubrimiento de aplicaciones cuánticas transformadoras».

Por parte del centro de Jülich habló Kristel Michielsen, directora del Centro de Supercomputación de Jülich, en el Forschungszentrum Jülich: «La inversión de Europa en JUPITER da a los investigadores la capacidad de estudiar cuestiones que antes estaban fuera de su alcance. Junto con Nvidia, llevamos esa capacidad a la computación cuántica y ayudamos a los científicos a tomar decisiones mejor informadas sobre los diseños con más probabilidades de dar aplicaciones útiles».

El anuncio llega justo antes de GTC Berlín, la conferencia de Nvidia que se celebra del martes 20 al jueves 22 de octubre y que Huang abre con su discurso inaugural el miércoles 21 a las 11:00, hora peninsular española. La compañía añade que las simulaciones de JUPITER ya están dando a la industria cuántica información práctica sobre cómo afecta el ruido a la computación tolerante a fallos.

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Escrito por Eloy Andrade