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Technologische Meisterleistung Das Unmögliche ermöglichen: Supercomputer Jupiter simuliert 50-Qubit-Quantencomputer

Von Susanne Braun 2 min Lesedauer

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Forschende des Forschungszentrums Jülich und Nvidia haben auf dem europäischen Supercomputer Jupiter erstmals die Simulation eines universellen Quantencomputers mit 50 Qubits erreicht. Dafür ist ein Arbeitsspeicher von zwei Millionen Gigabyte erforderlich.

Blick zwischen die Racks von Jupiter.(Bild: Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau)
Blick zwischen die Racks von Jupiter.
(Bild: Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau)

Es ist noch gar nicht so lange her, im September 2025, da wurde das europäische Supercomputer-System Jupiter am Forschungszentrum Jülich offiziell (und symbolisch) in Betrieb genommen. Jupiter ist das erste europäische System, das die Exascale-Barriere durchbrechen kann – theoretisch erfüllt das System die Voraussetzungen, praktisch haben Jupiter und seine Booster-Erweiterung im Sommer 2025 ein Rmax von 793,40 PFlops/s erreicht. In wenigen Tagen kann Jupiter seine Rechenpower wieder unter Beweis stellen, denn dann stehen die November-Messungen für die Top500-Liste an.

Bis dahin kann sich das Jupiter-System mit einem anderen Rekord schmücken. Forschern des Forschungszentrums Jülich und von Nvidia ist es gelungen, einen universellen Quantencomputer mit 50 Qubits zu simulieren. Diese bisher größte vollständig simulierte Qubit-Zahl übertrifft den bisherigen Rekord von 48 Qubits und demonstriert die Leistungsfähigkeit heterogener CPU-/GPU-Architekturen sowie neu entwickelter Datenkompressionsverfahren.

Neuer Rekord für Quanten- und Hochleistungsrechnen

Die vollständige Simulation eines universellen 50-Qubit-Systems gilt als Meilenstein im Zusammenspiel von Quantenforschung und Hochleistungsrechnen. Für einen solchen Zustand wären rechnerisch rund 2 Petabyte – also zwei Millionen Gigabyte – Arbeitsspeicher erforderlich, die auf klassischen Systemen kaum realisierbar wären. Ein Qubit-System verdoppelt seinen Speicherbedarf mit jedem weiteren Qubit, weshalb 50 Qubits bereits rund 1,12 Billionen komplexe Amplituden umfassen.

Dem Jupiter-System gelang dies durch die Integration tausender Rechenknoten sowie die enge Kopplung von CPU und GPU. Die Arbeiten basieren auf einem gemeinsamen Beitrag des Jülich Supercomputing Centre (JSC) und Nvidia im Vorabdruck „Universal Quantum Simulation of 50 Qubits on Europe’s First Exascale Supercomputer“.

Um die 50-Qubit-Grenze zu erreichen, kamen drei zentrale Innovationen zum Einsatz:

  • Speicherentlastung durch CPU-GPU-Kopplung: Der verfügbare Speicher wurde über den typischen GPU-Rahmen hinaus nutzbar gemacht.
  • Adaptive Byte-Kompression: Ein speziell entwickeltes Encoding reduzierte den Speicherbedarf um den Faktor acht.
  • Optimierte Kommunikation: Netzwerk-Traffic wurde dynamisch verteilt, sodass tausende Rechenknoten effizient zusammenarbeiten konnten.

Diese Verfahren ermöglichen erstmals die Simulation von Quantenalgorithmen in einem Größenbereich, der bisher ausschließlich spezialisierten Quantenprozessoren vorbehalten gewesen wäre. Mit der 50-Qubit-Simulation zeigt Jupiter, welches Potenzial Exascale-Systeme für die Quantenforschung besitzen. Die Nutzung über die Plattform Juniq soll künftig auch weiteren Forschungseinrichtungen und industriellen Partnern offenstehen. Das Projekt markiert zugleich einen Zwischenschritt hin zu hybriden Arbeitsmodellen, in denen Quanten- und Hochleistungsrechner gemeinsam genutzt werden. (sb)

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