🚀 NVIDIA, JUPITER Süper Bilgisayarında Rekor Kırarak 104-Qubit Kuantum Simülasyonu Gerçekleştirdi!

[Süeda Asil]

✨ Kuantum Hesaplamada Yeni Bir Dönüm Noktası​

NVIDIA, Avrupa'nın ilk exascale süper bilgisayarı JUPITER üzerinde gerçekleştirdiği 104-qubitlik kuantum simülasyonuyla çığır açtı. Bu başarı, hata toleranslı kuantum mimarileri için fiziksel qubit gereksinimlerini %90 oranında azaltan "sihirli durum yetiştirme" yöntemini doğruluyor.

🔬 Sihirli Durum Yetiştirme ile Kaynak Verimliliği​

Kuantum bilgisayarların pratik hale gelmesi için fiziksel decoherence ve çevresel gürültü gibi zorlukların aşılması gerekiyor. Hata düzeltme mimarileri, kararlı mantıksal qubitler oluşturmak için büyük fiziksel qubit kümeleri kullanır. Evrensel kuantum mantık işlemleri için sürekli tüketilen "sihirli durumlar"ın üretimi ve saflaştırılması, önemli bir mühendislik darboğazıdır. Geleneksel yöntemler, toplam kuantum işlemci kaynaklarının %90'ına kadarını tüketebilir.

NVIDIA ve Jülich Süper Bilgisayar Merkezi, bu kaynak yükünü azaltmak amacıyla JUPITER'da şimdiye kadarki en kapsamlı hata toleranslı kuantum işlemci simülasyonunu gerçekleştirdi. Simülasyon, gerçekçi donanım gürültüsüne maruz kalan 104-qubitlik bir sistemi başarıyla modelledi ve sihirli durum yetiştirme metodolojisinin, önceki yöntemlere göre fiziksel qubit sayısını %90 oranında azalttığını kanıtladı.

🧪 Gerçekçi Koşullarda İleri Simülasyon​

Önceki araştırmalar idealize edilmiş, gürültüsüz koşullarda 50 qubiti modellerken, bu yeni başarı sihirli durum yetiştirmeyi gerçekçi çevresel gürültü ve geçit sadakatsizliği altında değerlendirdi. 104 etkileşimli qubit üzerindeki hata yayılımını yakalamak, araştırmacılara fiziksel işlemcilerin hata toleranslı algoritmaları nasıl yürüteceğini tahmin etmek için yüksek doğrulukta veriler sağlıyor. Bu da moleküler malzeme tasarımı, finansal modelleme ve ilaç keşfi gibi alanlardaki uygulamalar için mühendislik döngülerini hızlandırıyor.

💡 NVIDIA ve Jülich Liderlerinin Görüşleri​

• Jensen Huang (NVIDIA CEO'su): "Pratik kuantum hesaplama, karmaşık hata toleranslı sistemler gerektiriyor. GPU süper bilgisayarlarında fiziksel davranışı büyük ölçekte anlamak, faydalı kuantum uygulamalarının hayata geçmesini hızlandırıyor."
  
• Kristel Michielsen (Jülich Süper Bilgisayar Merkezi Direktörü): "JUPITER'ın exascale altyapısı, araştırmacılara kuantum işlemci tasarımlarını doğrulamak ve üretim öncesinde donanım kararlarını bilgilendirmek için hesaplama kapasitesi sağlıyor."
  

💻 Kademeli Geliştirme ve Exascale Gücü​

Kuantum durum vektör simülasyonları, her ek qubit ile bellek gereksinimlerinin iki katına çıkması nedeniyle üstel bellek ölçeklendirmesi yaşar. 104-qubitlik hata düzeltmeli bir sistemi simüle etmek, geleneksel dağıtılmış bilgi işlem kümelerinin bellek kapasitesini aşar. Bu hesaplama talebini yönetmek için araştırmacılar kademeli bir algoritmik geliştirme hattı kullandı.

İlk simülasyon modelleri, NVIDIA Hızlandırılmış Kuantum Araştırma Merkezi'ndeki (NVAQC) bir NVIDIA GB200 NVL72 raf ölçekli sistemde geliştirildi, karşılaştırıldı ve hata ayıklandı. Bu tesis, araştırma ekibinin kuantum simülasyon rutinlerini dört grafik işlem biriminden yüzlerce düğüme kadar kademeli olarak ölçeklendirmesine olanak tanıdı.

Temel yakınsama sağlandıktan sonra iş akışı JUPITER exascale süper bilgisayarına aktarıldı ve 104-qubitlik simülasyon iş yükü 8.192 NVIDIA GH200 Grace Hopper Superchip'e dağıtıldı. Simülasyon, performansı ve ölçeği optimize etmek için NVIDIA cuQuantum yazılımı ve sihirli durum devresini formüle etmek için NVIDIA CUDA-Q platformunun hata toleranslı mantıksal katmanı kullanılarak çalıştırıldı. Bu katmanlı yürütme mimarisi, haftalar süren sürekli simülasyon süresini birkaç güne sıkıştırarak, hızlandırılmış exascale süper bilgi işlem altyapılarında büyük ölçekli kuantum hata düzeltme kodlarını doğrulamak için tekrarlanabilir bir şablon oluşturdu.

🌐 Kuantum Hesaplamanın Geleceği​

Evrensel hata toleranslı kuantum hesaplama, Eastin-Knill teoremine dayanır. Bu teorem, hiçbir kuantum hata düzeltme kodunun, Clifford olmayan işlemleri tanıtmadan enine, sürekli evrensel bir geçit kümesini uygulayamayacağını belirtir. Evrensel hesaplama için gerekli standart T-geçidi faz rotasyonlarını gerçekleştirmek için yüzey kodları ve düzlemsel kafes mimarileri, önceden sentezlenmiş sihirli durumları kullanmalıdır. Geleneksel Bravyi-Kitaev sihirli durum damıtma rutinleri, tek bir saflaştırılmış hedef durum üretmek için on beş gürültülü giriş durumu alır. Bu durum, IBM Quantum Heron veya Google Sycamore mimarileri gibi sistemlerde fiziksel qubitlerin %90'ına kadarının algoritma yürütmek yerine tamamen durum saflaştırmaya ayrılmasına neden olan bir darboğaz oluşturur. Sihirli durum yetiştirme, kod yamalarını adaptif olarak dolaştırarak ve kaynak durumlarını doğrudan hata toleranslı topolojik kod alanı içinde büyüterek bu yükü aşar ve çok aşamalı damıtma fabrikalarını atlar.

Kuantum simülasyonu için klasik süper bilgi işlem kıyaslamalarında, cuQuantum yazılım geliştirme kiti gibi platformlar, NVLink yüksek bant genişliğine sahip GPU'lar arası ağlar aracılığıyla hızlandırılmış tam durum vektör emülatörlerinin yanı sıra tensör ağı daraltmasını kullanır. Rakip yüksek performanslı kuantum simülasyon çerçevelerine (Intel Quantum Simulator, Qiskit Aer, LUMI süper bilgisayarının AMD ROCm tabanlı simülasyonları gibi) karşı yapılan kıyaslamalar, üniter olmayan Kraus gürültü operatörleri altında 50'den fazla dolaşık qubiti simüle etmenin, saniyede onlarca terabaytı aşan toplam bellek bant genişliği gerektirdiğini göstermektedir. JUPITER, NVLink ve InfiniBand kumaşlarını kullanarak 8.192 GH200 süperçipi koordine ederek, kuantum dolaşıklık tanık parametrelerini kesmeden Clifford olmayan gürültü yörüngelerini hesaplamak için gerekli toplam bellek kapasitesini ve tutarlı bellek ara bağlantılarını sağlar.