Rekord: JUPITER simuliert einen 50-Qubit-Quantencomputer
Ein Team von Jülich Supercomputing Centre und NVIDIA einen neuen Simulationsrekord mit Europas erstem Exascale-Supercomputer aufgestellt.
Erstmals ist es gelungen, das Verhalten eines universellen Quantencomputers mit 50 Qubits vollständig auf einem klassischen Supercomputer zu simulieren. Für diese besonders rechenintensive Aufgabe kam Europas erster Exascale-Supercomputer JUPITER zum Einsatz, der im September am Forschungszentrum Jülich eingeweiht wurde. Damit übertrifft das Team den bisherigen Weltrekord von 48 Qubits, den Jülicher Forschende 2019 auf dem japanischen K Computer erzielt hatten. Der neue Rekord zeigt die enorme Leistungsfähigkeit des Rechners in Jülich – und eröffnet neue Möglichkeiten für die Erforschung und den Test von Quantenalgorithmen.
Simulationen von Quantencomputern sind ein unverzichtbares Werkzeug für die Entwicklung zukünftiger Systeme. Sie ermöglichen es, die Ergebnisse experimenteller Quantenrechner zu verifizieren und neue Quantenalgorithmen zu testen, noch bevor leistungsfähige Quantencomputer tatsächlich verfügbar sind. Beispiele sind etwa der Variational Quantum Eigensolver (VQE), mit dem sich Moleküle und Materialien berechnen lassen, sowie der Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA), der Optimierungsaufgaben in Logistik, Finanzwesen oder Künstlicher Intelligenz adressiert.
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Die Simulation eines Quantencomputers auf einem klassischen Rechner ist äußerst rechen- und speicherintensiv. Die Zahl der möglichen Zustände wächst exponentiell. Mit jedem zusätzlichen Quantenbit verdoppelt sich Rechen- und Speicherbedarf. Etwa 30 Qubits lassen sich noch auf einem gewöhnlichen Notebook simulieren. Für 50 Qubits wäre dagegen bereits ein Arbeitsspeicher von 2 Petabyte – also etwa zwei Millionen Gigabyte – erforderlich. „So viel bieten derzeit nur die größten Supercomputer der Welt“, erklärt Kristel Michielsen, Professorin und Direktorin am Jülich Supercomputing Centre JSC. „Das zeigt, wie eng Fortschritte im Höchstleistungsrechnen und in der Quantenforschung heute miteinander verflochten sind.“
Die Simulation bildet die komplexe Quantenphysik eines realen Quantencomputers vollständig nach. Jeder Rechenschritt – etwa das Anwenden eines Quanten-Gatters – verändert mehr als 2 Billiarden komplexer Zahlenwerte, eine „2“ mit 15 Nullen. Diese Werte müssen über Tausende Rechenknoten hinweg synchronisiert werden, um die Funktionsweise eines echten Quantenprozessors präzise nachzustellen.
Den Rekord ermöglichte die enge Kopplung von Hauptprozessor (CPU) und Grafikprozessor (GPU) in den NVIDIA GH200-Superchips, die in JUPITER zum Einsatz kommen. So können selbst Datenmengen, die den Grafikspeicher übersteigen, mit minimalem Leistungsverlust im CPU-Speicher zwischengelagert werden.
Um dieses hybride Speicherprinzip optimal zu nutzen, haben Fachleute im NVIDIA Application Lab – einer Einrichtung des Jülich Supercomputing Centre und NVIDIA – das Simulationstool Jülich Universal Quantum Computer Simulator (JUQCS) weiterentwickelt. Es führt nun auch dann Quantenoperationen effizient aus, wenn Teile der Daten auf die CPU ausgelagert werden.
Byte-Encoding, ein adaptives Kompressionsverfahren, senkt den Speicherbedarf um den Faktor acht. Gleichzeitig wird der Datenaustausch zwischen mehr als 16.000 Superchips des Systems durch einen dynamischen Algorithmus laufend optimiert. „Mit JUQCS-50 können wir universelle Quantencomputer realitätsnah nachbilden und damit Fragen beantworten, die heute noch kein Quantenprozessor lösen kann“, sagt Hans De Raedt, Professor am JSC.
Die Quantencomputer-Emulation JUQCS-50 steht über die Jülich Unified Infrastructure for Quantum Computing (JUNIQ) auch externen Forschungseinrichtungen und Unternehmen zur Verfügung – als Werkzeug und als Benchmark-Anwendung für kommende Supercomputer.
Die Entwicklung erfolgte im Rahmen des JUPITER Research and Early Access Program JUREAP: „Bereits während der Aufbauphase von JUPITER haben JSC- und NVIDIA-Expertinnen und -Experten im Co-Design eng zusammengearbeitet. Auf diese Weise konnten wir Hardware und Software möglichst genau aufeinander abstimmen – ein wichtiger Schritt, um das Potenzial dieses Exascale-Rechners voll auszuschöpfen“, erklärt Projektteam-Mitglied Andreas Herten. [FZJ / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikation
H. De Raedt et al., Universal Quantum Simulation of 50 Qubits on Europe’s First Exascale Supercomputer Harnessing Its Heterogeneous CPU-GPU Architecture, subm. 5. November 2025; arXiv:2511.03359v2 [quant-ph] - Jülicher NutzerInfrastruktur für Quantencomputing JUNIQ, Jülich Supercomputing Centre (JSC), Forschungszentrum Jülich
