8192塊GPU加持 輝達完成容錯量子計算創紀錄模擬

輝達(NVDA-US)宣佈在德國於利希超級電腦中心(Jülich Supercomputing Centre, JSC)的歐洲首台百億億次級超級電腦「JUPITER」上，成功完成了史上規模最大的容錯量子計算模擬。

本次研究動用 8,192 塊 NVIDIA GH200 GPU 超級晶片，成功對 104 個量子位元的容錯量子處理器進行完整建模。此項突破不僅刷新了模擬規模，更首度將現實硬體的雜訊環境納入計算，並驗證了能將物理量子位元開銷降低約 90% 的關鍵技術，為實用化量子計算的研發時程縮短了數年。

量子位元極易受到外界環境干擾，控制過程中的雜訊常導致錯誤累積，因此「容錯量子計算」成為實現實用量子電腦的核心路徑。先前於利希團隊曾在 JUPITER 上完成 50 個量子位元的模擬，但當時僅限於理想且無雜訊的條件。

輝達本次 104 量子位元模擬則大幅超越以往，首度精確模擬了相干相位誤差以及超導量子位元的能級滲漏(Leakage)等現實硬體雜訊。研究人員得以在尚未實際製造高昂硬體前，精準評估處理器在真實雜訊下的表現，大幅減少試錯成本。

在容錯量子計算中，為了執行通用量子運算，系統必須持續消耗稱為「魔態」(Magic states)的特殊量子態。傳統的「魔態提純」(Magic state distillation)過程極為耗費資源，甚至會佔據整體系統高達 90% 至 95% 的物理量子位元預算。

輝達本次成功驗證了新一代的「魔態培育」(Magic state cultivation)技術，透過局部程式碼轉換等創新機制，在維持高保真度容錯計算的同時，將魔態製備所需的物理量子位元開銷大幅降低約 90%。這意味著未來量子電腦能將更多硬體資源投入實際演算法運算，而非僅用於糾錯與維持量子態。

在技術架構上，本次模擬採用了 NVIDIA cuQuantum 模擬加速軟體，以及 CUDA-Q 平台的容錯邏輯計算層。為確保大規模執行的效率，研究團隊採用分階段開發模式，先在輝達加速量子研究中心(NVAQC)的GB200 NVL72 系統上進行測試，從 4 塊 GPU 逐步擴展至數百塊 GPU，驗證軟體精度與資源分配後，才將任務轉移至 JUPITER 的 8,192 塊 GH200 GPU 上。此跨系統開發流程將原本需耗時數周的複雜模擬壓縮至數天完成。

對於本次合作成果，輝達創辦人兼執行長黃仁勳表示：「實用的量子計算需要極其複雜的容錯系統，而理解這些系統在大規模運行時的表現是構建它們的關鍵。我們在於利希的成果展示了量子處理器與 GPU 超級電腦如何協同工作，處理過去無法觸及的研究，進而加速突破性量子應用的發現。」

德國於利希超級電腦中心主任 Kristel Michielsen 指出：「歐洲對 JUPITER 超級電腦的投資，讓研究人員能夠探索先前無法觸及的問題。透過與輝達合作，我們將此能力引入量子計算領域，協助科學家做出更有根據的決策，找出最有可能帶來實用應用的設計。」