英伟达实现重大进展：大规模GPU助力量子计算模拟

英伟达在欧洲的最大超级计算机上创造了量子计算模拟的新记录，使用8192块GPU成功进行了104量子比特的容错量子计算模拟，并验证了一种新技术，该技术有望将所需的物理量子比特数量降低约90%。这一进展使研究人员能够减少量子纠错的资源消耗，加快实用量子计算系统的研发进程。

在2023年10月19日，英伟达宣布其研究团队利用德国于利希超级计算中心的“木星”超算，开展了这项具有里程碑意义的容错量子计算模拟。研究的重点不仅在于将模拟规模扩大到创纪录的104个量子比特，还在于建模量子处理器在现实噪声环境中执行容错计算的过程，从而帮助研究人员在硬件实际制造之前进行设计评估和优化。

英伟达的CEO黄仁勋表示，理解复杂的容错系统在大规模运行时的表现是实现实用量子计算的关键，而GPU超级计算机能够解决之前难以攻克的研究难题。量子计算的潜力体现在其利用量子比特的叠加和纠缠等特性，处理一些经典计算机难以有效解决的问题。然而，量子比特极易受到外部干扰，导致计算错误，因此解决错误累积的问题是实现有效量子计算的必经之路。 南宫28ng娱乐最新官网

容错量子计算是一条克服这一挑战的关键路径，通过量子纠错等技术降低物理量子比特错误对计算结果的影响，以实现更复杂的运算。英伟达的此次模拟突破了对理想、无噪声环境的限制，开始考虑现实中硬件噪声对容错计算过程的影响。此前，德方研究团队曾在“木星”上完成了50个量子比特的完整模拟，但那是在理想条件下进行的。

此次104量子比特的模拟，则针对容错计算中的关键环节展开，研究规模和模拟场景得到了显著扩展。这一差异在实际应用中具有重要性，因为虽然理论上可行的量子计算方案在实际噪声环境中可能无法稳定运行。然而，通过经典超级计算机提前模拟量子处理器的行为，研究人员可以更早识别错误根源，评估纠错方案的效果，并在高成本的量子硬件制造前筛选出更有潜力的设计。

研究的另一个核心成果是验证了“魔态培育”（magic state cultivation）容错量子计算的技术路线。在容错量子计算中，魔态是执行通用量子计算所需的特殊量子态。由于这一过程会持续消耗魔态，如何用更少的资源生成魔态直接影响实用量子计算机的构建。传统方案通常进行魔态提纯，需要消耗大量物理量子比特，而英伟达的魔态培育方法则有望在资源需求上显著降低，证明所需的物理量子比特数量降低约90%。 南宫28ng娱乐最新官网

需要强调的是，减少九成是指魔态制备方案对物理量子比特的需求，而不意味着整个量子计算系统的所有硬件需求都能够因此减少。尽管如此，如果这种技术路线在不同量子硬件架构下得到持续验证，其潜力不容小觑。物理量子比特的资源越丰富，系统就越能构建足够的逻辑量子比特，执行更复杂的算法，降低魔态制备的资源开销意味着可以将更多资源用于实际计算。

此次成功背后，展现了英伟达加速其软硬件体系与欧洲超算基础设施的协作。英伟达表示，此次模拟在“木星”超算的8192块GH200 GPU上运行，该系统是欧洲首台百亿亿次级超算。研究团队最初在英伟达加速量子研究中心的NVIDIA GB200 NVL72系统上进行测试，将规模从4块GPU逐步扩大至数百块，验证了模拟方法、精度和计算资源之间的关系，最后将任务扩展至“木星”的8192块GPU配置，这一分阶段开发流程将数周的模拟工作压缩到了数天。

在软件方面，研究采用了英伟达cuQuantum软件和CUDA-Q平台中的容错逻辑计算层，为量子计算模拟提供加速工具，支持对容错量子计算系统的建模与开发。英伟达在量子计算领域多元化的定位表明，除了参与自研量子处理器的竞争，它还可以凭借GPU、互连网络、模拟软件和开发平台，为量子计算研究与未来硬件设计提供重要基础设施。随着量子系统复杂度提升，经典计算机将进一步提升模拟量子系统的能力。 南宫28ng娱乐最新官网