مستخدمو الحوسبة الكمية يعملون جنبًا إلى جنب مع الحواسيب الفائقة الكلاسيكية: مقابلة مع ترافيس هامبل في أوك ريدج لاب

بقلم كاتي إليس جونز ، محرر ، بيلارك

نظرًا لأن مجتمع الحوسبة عالية الأداء (HPC) يتطلع إلى ما وراء حافة قانون مور لإيجاد حلول لتسريع الأنظمة المستقبلية ، فإن إحدى التقنيات في المقدمة هي الحوسبة الكمومية ، والتي تجمع مليارات الدولارات من التمويل العالمي للبحث والتطوير كل عام.

ربما ليس من المستغرب أن مراكز HPC - بما في ذلك مرفق حوسبة القيادة في أوك ريدج (OLCF) ، موطن أول كمبيوتر عملاق إكساسكيل في العالم ، فرونتير - تجد طرقًا للاستفادة من أنظمة الكم وتطويرها.

يقع في مختبر أوك ريدج الوطني (ORNL) في تينيسي وبتمويل من وزارة الطاقة الأمريكية (DOE) ، OLCF's برنامج مستخدم الحوسبة الكمومية (QCUP) يوفر للمستخدمين في مجال العلوم الوصول عن بعد إلى أنظمة الحوسبة الكمية التجارية الرئيسية. حاليًا ، يوفر البرنامج إمكانية الوصول إلى بنى مختلفة فائقة التوصيل من IBM Quantum Services و Rigetti Quantum Cloud Services ، بالإضافة إلى أجهزة الكمبيوتر والمحاكيات ذات الأيونات المحاصرة. يقوم البرنامج أيضًا بإعداد الوصول إلى نظام IonQ المحاصر.

في مبادرة جديدة هذا العامتعمل OLCF و QCUP على سد الفجوة بين الكم و HPC من خلال برنامج تخصيص هجين يوفر وصولاً مزدوجًا إلى بائعي QCUP الكميين وأجهزة الكمبيوتر العملاقة OLCF.

قال ترافيس هامبل ، مدير QCUP: "الغرض من QCUP هو مساعدتنا على فهم كيفية تطور تقنية [الكم] ومساعدتنا على التنبؤ بالوقت الذي نريد أن تكون فيه هذه التكنولوجيا جزءًا من نظام HPC التالي".

هامبل هو أيضًا مدير ORNL's مركز علوم الكم، والتي يتم تمويلها من خلال برنامج مختلف لوزارة الطاقة - المراكز الوطنية لأبحاث علوم المعلومات الكمومية - ولكنها تشترك في الاهتمامات المتداخلة في البحث والتطوير الكمومي. سيكون أحد أعضاء اللجنة في "الحوسبة الكمية: مستقبل لتسريع HPC؟" في SC22 (المؤتمر الدولي للحوسبة عالية الأداء والشبكات والتخزين والتحليل) يوم الجمعة 18 نوفمبر.

قال همبل إن QCUP تقدم مجموعة من أنظمة الحوسبة الكمومية لاستكشاف ما هو الأفضل لمشاكل معينة وأن الحوسبة الكلاسيكية هي جزء من هذا الاستكشاف. "لا نعرف حتى الآن أفضل الأجهزة وكيف ستتوافق التطبيقات. تمنحنا الحوسبة الكمومية ، كنظرية ، ملعبًا جديدًا تمامًا لتجربة الحساب ، لإبلاغ الاكتشاف العلمي ، لذلك فهي تغير أنواع المشكلات التي يمكننا حسابها بالفعل. يعد الكمبيوتر العملاق قويًا - ولكنه مقيد أيضًا. الهجين يأخذ أفضل ما في العالمين ".

ومع ذلك ، فقد حذر من أن العديد من التطبيقات لا تستفيد حاليًا من كلا الجهازين بشكل جيد ، وأن القصد من التخصيصات الكمومية الجديدة الهجينة الكلاسيكية في QCUP هو العثور على تطبيقات تعمل بشكل جيد على كلا الجهازين.

كمبيوتر فرونتير عملاق

تضم QCUP حوالي 250 مستخدمًا وقد تطورت منذ عام 2016 من برنامج معمل داخلي إلى برنامج المستخدم الحالي. برعاية برنامج أبحاث الحوسبة العلمية المتقدمة (ASCR) التابع لوزارة الطاقة ، اعتمد برنامج المستخدم الكمي نفس نموذج مستخدم HPC مثل مرافق الحوسبة القيادية في ASCR ، والتي تراجع المقترحات العلمية للتأثير المحتمل والجدارة لتخصيص الوقت على أنظمة الحوسبة.

قال همبل: "إننا نبحث عن الجدوى - هل يحاولون حل مشكلة يمكن أن تناسب حتى الكمبيوتر الكمي - والاستعداد التقني والتطبيق".

يشتمل دعم مساعدة المستخدم في QCUP على فريق المشاركة العلمية الذي يساعد الباحثين في نقل التعليمات البرمجية الخاصة بهم ، على الرغم من أن العديد من المستخدمين في الماضي كانوا "مستخدمين خبراء كميين" ، على حد قوله. "لقد كتبوا برامج وهم على استعداد للذهاب."

يأتي العديد من المستخدمين من برامج علمية لها روابط بحثية مع الكم ، مثل الطاقة العالية والفيزياء النووية وطاقة الاندماج. على سبيل المثال ، استخدم فريق بقيادة مختبر لورانس بيركلي الوطني موارد QCUP ل محاكاة اصطدام جزء من بروتونين، تقسيم الحسابات الفيزيائية إلى تلك الأنسب للحوسبة الكلاسيكية مقابل الحوسبة الكمومية من أجل تضمين التأثيرات الكمومية التي قد يقاربها الكمبيوتر الكلاسيكي.

"إلى حد بعيد ، تحظى الفيزياء بأكبر قدر من الحضور. ثانيًا ، ربما يكون علم الكمبيوتر ، والذي يتضمن أدوات بناء تمكن من أداء أفضل للحاسوب الكمومي ، ”قال همبل.

في مشروع QCUP آخر ، فريق بقيادة باحثي جامعة شيكاغو ومختبر أرجون الوطني محاكاة عيوب الدوران الكمومية، مع تطبيقات لترميز المعلومات في أجهزة الكمبيوتر الكمومية. في هذه الحالة ، استخدموا الحسابات الكلاسيكية للتحقق من الأخطاء وتقليلها في حساباتهم الكمومية.

يظهر الذكاء الاصطناعي (AI) أيضًا في واجهة الحوسبة الكلاسيكية والكمية. قال همبل إن الهدف من بعض مشاريع علوم الكمبيوتر هو استخدام الحوسبة الكمومية لتسريع سير عمل الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي أو للكشف عن المعلومات الخاصة بالكم في البيانات التي تم إنشاؤها بواسطة الذكاء الاصطناعي.

على الرغم من أن البرنامج يوفر الوصول إلى أجهزة الكمبيوتر الكمومية من خلال منشأة مستخدم HPC ، إلا أن أجهزة الكمبيوتر هذه ليست متكاملة مع أنظمة HPC. أحد الأهداف النهائية لـ QCUP هو ربط أنظمة الكم و HPC ، ولكن هناك حواجز على المدى القريب.

جزء من الحاجز الآن هو أن الحوسبة الكمومية هي في وقت مبكر جدا. قال همبل: "إذا نظرت إلى ما هو الكمبيوتر الكمومي اليوم ، في غضون 6 أشهر ، فسيتم استبداله بشيء جديد".

من منظور تقني ، لا تزال أجهزة الكمبيوتر الكمومية تتطلب صيانة خاصة ولا يمكنها حتى الآن منافسة أداء HPC. من وجهة نظر المستخدم ، أدت عقبات التدريب في الغالب إلى إبعاد الحوسبة الكمومية إلى خبراء الكم.

قال همبل: "المواد التدريبية التي تحتاجها لبدء استخدام الحوسبة الكمومية هي أيضًا في مهدها". "بالنسبة للغالبية العظمى من مستخدمي HPC الذين يرغبون في اعتماد الكم ، يتعين علينا إنشاء موارد تدريبية لهم."

على الرغم من أن العديد من عمليات التعاون الكمي HPC لا تزال في أيامها الأولى ، إلا أن الخبرات من برامج مثل QCUP والمشاريع الكمومية في مراكز HPC الأخرى قد تساعد في تمهيد الطريق لتكامل HPC الكمي المستقبلي.

كاتي إليس جونز هي مؤسسة ومحررة النشر الإخباري البحثي عمود.