شبیه‌سازی کامل اولین کامپیوتر کوانتومی عمومی ۵۰‑کوبیتی به‌دست آمد

توسط مرکز پژوهشی جوئلیخ

ویرایش: گابی کلارک؛ بازنگری: رابرت ایگان

یادداشت‌های سردبیر

این مقاله بر اساس روند ویراستاری و سیاست‌های Science X بررسی شده است. ویراستاران ویژگی‌های زیر را برجسته کرده‌اند تا اطمینان از اعتبار محتوا را فراهم آورند:

تأیید صحت

پیش‌چاپ

منبع معتبر

تصحیح نهایی

یک تیم تحقیقاتی در مرکز پردازش ابرقوی جوئلیخ، به همراه کارشناسان NVIDIA، رکورد جدیدی در شبیه‌سازی کوانتومی ثبت کردند: برای نخستین بار، یک کامپیوتر کوانتومی عمومی ۵۰ کوبیتی به‌صورت کامل شبیه‌سازی شد—دستیابی‌ای که بر روی اولین ابررایانه اکساسکل اروپا، JUPITER، که در سپتامبر در مرکز پژوهشی جوئلیخ راه‌اندازی شد، به‌دست آمد.

این نتیجه، رکورد جهانی قبلی ۴۸ کوبیت را که توسط پژوهشگران جوئلیخ در سال ۲۰۲۲ روی کامپیوتر K ژاپن ثبت شده بود، پشت سر می‌گذارد. این دستاورد، قدرت محاسباتی عظیم JUPITER را به نمایش می‌گذارد و افق‌های جدیدی برای توسعه و آزمون الگوریتم‌های کوانتومی می‌گشاید. این پژوهش بر روی سرور پیش‌چاپ arXiv منتشر شده است.

شبیه‌سازی‌های کامپیوترهای کوانتومی برای توسعه سیستم‌های کوانتومی آینده حیاتی هستند. این شبیه‌سازی‌ها به پژوهشگران امکان می‌دهند نتایج آزمایشی را تأیید کنند و الگوریتم‌های جدید را بسیار پیش از ظهور ماشین‌های کوانتومی قدرتمند، آزمایش نمایند. از جمله این الگوریتم‌ها می‌توان به الگوریتم حل‌گر مقدار ویژه کوانتومی تغییرپذیر (VQE) که می‌تواند مولکول‌ها و مواد را مدل‌سازی کند، و الگوریتم بهینه‌سازی تقریبی کوانتومی (QAOA) که برای حل مسائل بهینه‌سازی در حوزه‌های لجستیک، مالی و هوش مصنوعی به‌کار می‌رود، اشاره کرد.

به چالش کشیدن مرزهای محاسبه کلاسیک

شبیه‌سازی یک کامپیوتر کوانتومی بر روی سخت‌افزارهای سنتی یک چالش عظیم است. تعداد حالات ممکن کوانتومی به‌صورت نمایی افزایش می‌یابد: هر بیت کوانتومی اضافه، یا به‌اختصار کوبیت، نیازهای پردازشی و حافظه‌ای را دو برابر می‌کند.

در حالی که حدود ۳۰ کوبیت هنوز می‌توانند بر روی یک لپ‌تاپ استاندارد پردازش شوند، شبیه‌سازی ۵۰ کوبیت به‌حدود ۲ پتابایت حافظه—تقریباً دو میلیون گیگابایت—نیاز دارد. «فقط بزرگ‌ترین ابرکامپیوترهای جهان در حال حاضر این مقدار را فراهم می‌کنند»، می‌گوید پروفسور کریستل میچیلن، مدیر مرکز پردازش ابرقوی جوئلیخ. «این مورد استفاده نشان می‌دهد که پیشرفت در محاسبات با کارایی بالا و پژوهش‌های کوانتومی امروز چقدر به‌هم پیوسته‌اند.»

شبیه‌سازی، فیزیک پیچیده کوانتومی یک پردازش‌گر واقعی را با جزئیات کامل بازتولید می‌کند. هر عملیات—مانند اعمال یک گیت کوانتومی—بیش از ۲ کوادریلیون مقدار عددی مختلط (۲ با ۱۵ صفر) را تحت تأثیر قرار می‌دهد. این مقادیر باید در میان هزاران گره محاسباتی همگام‌سازی شوند تا عملکرد یک پردازش‌گر کوانتومی واقعی به‌دقت بازتولید گردد.

پیشرفت‌های حاصل از فناوری نوین حافظه

این رکورد به‌دلیل پیوند نزدیک واحدهای پردازش مرکزی (CPU) و واحدهای پردازش گرافیکی (GPU) در ابرچیپ‌های NVIDIA GH200، که در ابرکامپیوتر JUPITER به کار رفته‌اند، امکان‌پذیر شد. این معماری امکان ذخیره‌سازی موقت داده‌های فراتر از محدودیت حافظه GPU را در حافظه CPU فراهم می‌کند، بدون آن‌که عملکرد به‌طری قابل‌توجهی کاهش یابد.

برای بهره‌برداری از این سامانه حافظه ترکیبی، متخصصان در آزمایشگاه برنامه‌نویسی NVIDIA—یک ابتکار مشترک بین مرکز پردازش ابرقوی جوئلیخ (JSC) و NVIDIA—نرم‌افزار شبیه‌سازی جوئلیخ، یعنی شبیه‌ساز کامپیوتر کوانتومی عمومی جوئلیخ (JUQCS) را تقویت کردند. نسخه جدید، JUQCS-50، اکنون عملیات‌های کوانتومی را به‌طور مؤثر انجام می‌دهد حتی زمانی که بخشی از داده‌ها به‌CPU منتقل می‌شود.

نوآوری‌های دیگر شامل روش فشرده‌سازی بایت‑کدینگ است که نیازهای حافظه را هشت برابر کاهش می‌دهد و الگوریتمی پویا که تبادل داده‌ها بین بیش از ۱۶٬۰۰۰ ابرچیپ GH200 را به‌صورت مستمر بهینه‌سازی می‌کند.

«با JUQCS-50 می‌توانیم کامپیوترهای کوانتومی عمومی را با دقت بالا شبیه‌سازی کنیم و به سؤالاتی بپردازیم که هنوز هیچ پردازش‌گر کوانتومی موجود قادر به حل آن‌ها نیست»، می‌گوید پروفسور هانس دو رادت از مرکز پردازش ابرقوی جوئلیخ و نویسنده اصلی این مطالعه که به‌صورت پیش‌چاپ منتشر شده است.

ادغام در زیرساخت کوانتومی جوئلیخ

JUQCS-50 همچنین از طریق JUNIQ—زیرساخت متحد جوئلیخ برای محاسبهٔ کوانتومی—برای مؤسسات تحقیقاتی و شرکت‌های خارجی قابل دسترس خواهد بود. این ابزار هم به‌عنوان یک ابزار پژوهشی و هم به‌عنوان معیاری برای ابرکامپیوترهای آینده به‌کار خواهد رفت.

این توسعه در چارچوب برنامهٔ تحقیقاتی و دسترسی‌زودهنگام JUPITER (JUREAP) انجام شد. «از طریق همکاری زودهنگام، می‌توانستیم سخت‌افزار و نرم‌افزار را در دورهٔ ساخت JUPITER به‌طور مشترک طراحی کنیم، با همکاری نزدیک بین کارشناسان جوئلیخ و NVIDIA—یک گام مهم در جهت بهره‌برداری کامل از توانمندی این سامانهٔ اکساسکل»، توضیح می‌دهد دکتر آندریاس هرتن، عضو تیم پروژه JUPITER جوئلیخ و هم‌نویسندهٔ این مطالعه.

اطلاعات بیشتر: هانس دو رادت و همکاران، شبیه‌سازی کوانتومی عمومی ۵۰ کوبیت بر روی اولین ابرکامپیوتر اکساسکل اروپا با بهره‌گیری از معماری ناهمگن CPU‑GPU، arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2511.03359

اطلاعات مجله: arXiv

ارائه شده توسط مرکز پژوهشی جوئلیخ

استناد: شبیه‌سازی کامل اولین کامپیوتر کوانتومی عمومی ۵۰‑کوبیتی به‌دست آمد (2025، ۱۱ نوامبر) دریافت شده در ۱۲ نوامبر 2025 از https://phys.org/news/2025-11-full-simulation-qubit-universal-quantum.html

این سند تحت حق کپی‌رایت است. به‌جز موارد استفاده منصفانه برای مطالعه یا پژوهش شخصی، هیچ بخشی بدون اجازه‌نویسنی قابل بازتولید نیست. محتوا صرفاً جهت اطلاع‌رسانی ارائه شده است.