Simulation quantique record au Japon avec 1024 GPU

Une équipe japonaise de l’Université d’Osaka et de Fixstars Corporation a réalisé l’une des plus grandes simulations classiques de circuits de chimie quantique au monde, utilisant 1024 GPU NVIDIA H100 sur le supercalculateur ABCI-Q. Ces travaux, annoncés le 1er avril après présentation à la conférence NVIDIA GTC 2026, visent à préparer les algorithmes pour l’informatique quantique tolérante aux pannes, avec des applications potentielles en pharmacologie et science des matériaux.

La course à l’informatique quantique pratique passe désormais par une étape paradoxale : simuler des circuits quantiques avec des ordinateurs classiques. Une équipe de recherche conjointe de l’Université d’Osaka et de Fixstars Corporation vient de franchir un cap significatif en réalisant l’une des plus grandes simulations classiques de circuits de chimie quantique jamais entreprises. Cette performance technique, rendue publique le 1er avril après une première présentation à la conférence NVIDIA GTC 2026 à San Jose, repose sur l’utilisation massive de 1024 GPU NVIDIA H100 fonctionnant sur le supercalculateur japonais ABCI-Q.

Dépasser la barrière des 40 qubits

Pendant des années, la simulation de circuits quantiques basée sur les vecteurs d’état se heurtait à une limite théorique et pratique autour de 40 qubits. L’équipe japonaise a réussi à franchir cette barrière en développant des méthodes de calcul parallèle spécifiquement optimisées pour les clusters GPU à grande échelle. Leur simulateur de chimie quantique, baptisé « chemqulacs-gpu », a permis d’atteindre deux objectifs majeurs.

D’une part, les chercheurs ont simulé un système à 42 orbitales de spin pour une molécule d’eau, établissant ainsi un record pour la taille de problème traitée. D’autre part, ils ont exécuté un circuit de 41 qubits pour une molécule de fer-soufre (Fe₂S₂), constituant le plus grand benchmark réalisé à l’échelle d’un circuit pur. Ces avancées techniques s’inscrivent dans le cadre de l’algorithme d’estimation de phase quantique itérative, considéré comme fondamental pour les futurs ordinateurs quantiques tolérants aux pannes.

L’infrastructure ABCI-Q en action

Le système ABCI-Q, exploité par l’Institut national japonais des sciences et technologies industrielles avancées (AIST), représente une plateforme de calcul exceptionnelle. Alimenté par plus de 2000 GPU NVIDIA H100 interconnectés par NVIDIA Quantum-2 InfiniBand, ce supercalculateur offre des capacités de traitement parallèle sans précédent. L’équipe de recherche a bénéficié d’une allocation de 1024 de ces GPU dans le cadre du programme « Grand Challenge » du système, avec une fenêtre de calcul strictement limitée à 48 heures.

La contrainte temporelle a imposé une optimisation extrême des algorithmes et des méthodes de parallélisation. « La simulation à grande échelle de circuits quantiques utilisant 1024 GPU en simultané est techniquement exigeante, et dans la fenêtre de calcul limitée de 48 heures, nous avons rencontré à plusieurs reprises des problèmes inattendus », reconnaît le professeur Wataru Mizukami, qui a dirigé les recherches au Centre d’information quantique et de biologie quantique de l’Université d’Osaka. « J’espère que cette réalisation contribuera à accélérer le développement d’algorithmes quantiques. »

Une approche pragmatique face aux défis matériels

Ces travaux répondent à une nécessité stratégique dans le domaine de l’informatique quantique : développer et valider des algorithmes complexes avant que le matériel quantique tolérant aux pannes ne devienne opérationnel. La simulation classique de circuits quantiques permet aux chercheurs de tester et d’affiner ces algorithmes sur des systèmes moléculaires réalistes, sans attendre la disponibilité de processeurs quantiques suffisamment stables et évolués.

L’approche présente plusieurs avantages :

• Elle permet d’identifier les défis algorithmiques avant l’arrivée du matériel quantique mature
• Elle offre un environnement de test contrôlé pour valider les performances théoriques
• Elle facilite l’exploration de systèmes moléculaires complexes pertinents pour les applications industrielles

En élargissant l’échelle des molécules pouvant être simulées, cette réalisation ouvre des perspectives concrètes pour des applications dans la découverte de médicaments et le développement de matériaux. Les simulations à grande échelle permettent d’étudier des systèmes biologiques et chimiques plus complexes, approchant ainsi les problèmes réels que l’informatique quantique pourrait résoudre.

Le contexte scientifique et institutionnel

Les travaux ont bénéficié du soutien de la Société japonaise pour la promotion de la science, du ministère japonais de l’Éducation et de l’Agence japonaise pour la science et la technologie. La convergence d’acteurs publics et privés illustre l’importance stratégique accordée au développement des technologies quantiques au Japon.

L’approche adoptée par l’équipe japonaise révèle une tendance plus large dans la communauté scientifique quantique. Face aux défis techniques persistants du matériel quantique, de nombreux chercheurs privilégient désormais une stratégie hybride : développer simultanément les algorithmes quantiques et les méthodes de simulation classique avancée. La dualité permet de maintenir l’avancement théorique tout en attendant les progrès matériels.

La performance technique réalisée avec 1024 GPU démontre également l’évolution des architectures de calcul haute performance. L’utilisation massive de processeurs graphiques spécialisés, initialement conçus pour le traitement d’images et l’intelligence artificielle, trouve désormais des applications dans la simulation quantique. La convergence technologique pourrait accélérer le développement de solutions hybrides combinant calcul classique et quantique.

Alors que la communauté scientifique internationale poursuit ses efforts pour rendre l’informatique quantique pratique, les simulations classiques à grande échelle comme celle réalisée par l’équipe japonaise jouent un rôle essentiel. Elles permettent non seulement de valider les approches algorithmiques, mais aussi de maintenir l’élan de recherche dans l’attente des prochaines générations de matériel quantique.

Source : Osaka U. / Fixtars Corp