Nvidia bootst op Europese supercomputer een quantumschakeling van 104 qubits na, met echte fouten erin
Nvidia en het Duitse onderzoekscentrum Jülich simuleerden op supercomputer JUPITER hoe een quantumcomputer van 104 qubits een belangrijke bouwsteen maakt, inclusief de fouten die echte hardware maakt. Zo kunnen ontwerpen worden getest voordat ze gebouwd zijn.
Quantumcomputers kunnen in de toekomst rekenwerk doen dat voor gewone computers te zwaar is, bijvoorbeeld bij het ontwerpen van medicijnen en nieuwe materialen. Hun rekeneenheden heten qubits. Die zijn erg gevoelig: een klein beetje warmte of trilling en er sluipt een fout in de berekening. Daarom werken onderzoekers aan foutcorrectie, waarbij veel qubits samen één betrouwbare qubit vormen.
Voor de moeilijkste berekeningen heeft zo'n beschermde quantumcomputer ook speciale hulptoestanden nodig, die 'magic states' heten. Het maken daarvan kost veel qubits. Volgens sommige schattingen kan het tot 95 procent van alle qubits in een quantumcomputer opslokken.
Een zuinigere manier, eerst op de computer getest
Onderzoekers van Google bedachten een zuinigere manier om die hulptoestanden te maken, 'magic state cultivation'. Je kunt het zien als kweken: je begint klein, controleert onderweg steeds of er iets mis is gegaan, en laat de toestand dan groeien. Volgens Nvidia kost dat tot 90 procent minder qubits dan de oudere methode.
Nvidia en het Jülich Supercomputing Centre in Duitsland hebben die methode nu op een gewone supercomputer nagebootst, met 104 qubits. Ze rekenden daarbij ook met de fouten die echte quantumchips maken, zoals kleine verschuivingen die zich opstapelen en qubits die 'weglekken' naar een toestand waar ze niet horen. Volgens Nvidia is het de grootste simulatie tot nu toe van een quantumcomputer met foutcorrectie.
Een flinke rekenklus
Het nabootsen van qubits wordt snel heel zwaar: elke extra qubit verdubbelt ruwweg het geheugen dat nodig is. De onderzoekers gebruikten daarom 8.192 AI-chips van JUPITER, de eerste Europese supercomputer in de hoogste klasse. Samen hielden die ruim 560 terabyte aan gegevens bij, het geheugen van duizenden gewone laptops. Slimme trucs hielpen: qubits die klaar zijn, maken hun geheugen vrij voor de volgende.
De methode werd eerst getest op een kleiner systeem van Nvidia en daarna stap voor stap opgeschaald. Volgens Nvidia duurt zo'n simulatie daardoor dagen in plaats van weken. Vorig jaar bootste JUPITER al een quantumcomputer van 50 qubits na, maar toen zonder fouten.
De volgende stappen
De simulatie is vooral een proefopstelling. Onderzoekers kunnen er nu in volgen hoe een fout zich door de hele schakeling verspreidt en welke controles hem opvangen. De volgende stap is uitrekenen hoe goed de gemaakte hulptoestanden uiteindelijk zijn, en wat dat betekent voor de berekeningen die een quantumcomputer moet doen. Daarmee kunnen bouwers van quantumchips hun ontwerpen verbeteren voordat ze iets hoeven te bouwen.
Ook in het lab gaat het snel. Onlangs bouwde Stanford bijvoorbeeld een rooster van lichtvangers om quantumcomputers met atomen te koppelen.
Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?
Quantumcomputers en AI-supercomputers werken hier samen. De chips die gemaakt zijn voor AI, helpen nu om quantumcomputers te ontwerpen die later zelf weer kunnen helpen, bijvoorbeeld bij het vinden van nieuwe medicijnen of materialen. Testen in een simulatie is veel sneller en goedkoper dan steeds nieuwe hardware bouwen. Hoe beter zulke simulaties worden, hoe sneller er een betrouwbare quantumcomputer kan komen. AI kan daarin ook zelf een rol gaan spelen, door in duizenden gesimuleerde ontwerpen te zoeken naar het zuinigste recept.
