Quantum Computing-brugere arbejder sammen med klassiske supercomputere: et interview med Travis Humble på Oak Ridge Lab

Af Katie Elyce Jones, redaktør, PillarQ

Mens high-performance computing-samfundet (HPC) ser ud over randen af ​​Moores lov efter løsninger til at accelerere fremtidige systemer, er en teknologi på forkant kvantecomputere, som samler milliarder af dollars af global R&D-finansiering hvert år.

Måske er det ingen overraskelse, at HPC-centre - inklusive Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), hjemsted for verdens første exascale supercomputer, Frontier - finder måder at udnytte og fremme kvantesystemer.

Beliggende på Oak Ridge National Laboratory (ORNL) i Tennessee og finansieret af det amerikanske energiministerium (DOE), OLCF's Quantum Computing brugerprogram (QCUP) giver brugere inden for videnskaben fjernadgang til store, kommercielle kvantecomputersystemer. I øjeblikket tilbyder programmet adgang til forskellige superledende arkitekturer fra IBM Quantum Services og Rigetti Quantum Cloud Services, samt Quantinuum fangede-ion-computere og -emulatorer. Programmet forbereder også adgang til et IonQ-fanged-ion-system.

I et nyt tiltag i år, OLCF og QCUP bygger bro mellem kvante og HPC gennem et hybridt allokeringsprogram, der giver dobbelt adgang til QCUPs kvanteleverandører og OLCFs supercomputere.

"Formålet med QCUP er at hjælpe os med at forstå, hvordan [kvante]-teknologien udvikler sig og hjælpe os med at forudsige, hvornår vi ønsker, at teknologien skal være en del af det næste HPC-system," sagde Travis Humble, QCUP-direktør.

Humble er også direktør for ORNL's Quantum Science Center, som er finansieret gennem et andet DOE-program - National Quantum Information Science Research Centres - men deler overlappende interesser i kvanteforskning og -udvikling. Han vil være paneldeltager for "Quantum Computing: A Future for HPC Acceleration?" på SC22 (The International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage, and Analysis) fredag ​​den 18. november.

Humble sagde, at QCUP tilbyder en række kvantecomputersystemer til at udforske, hvad der fungerer bedst til visse problemer, og at klassisk databehandling er en del af denne udforskning. "Vi kender endnu ikke den bedste hardware, og hvordan applikationer vil matche. Kvantecomputere, som en teori, giver os en helt ny legeplads, hvor vi kan prøve beregninger, informere videnskabelige opdagelser, så det ændrer de typer problemer, vi faktisk kan beregne. En supercomputer er kraftfuld – men den er også begrænset. Hybrid tager det bedste fra begge verdener."

Han advarede dog om, at ikke mange applikationer i øjeblikket gør god brug af begge enheder, og intentionen med QCUPs nye kvante-klassiske hybridallokeringer er at finde applikationer, der kører godt på begge.

Frontier supercomputer

QCUP har omkring 250 brugere og har siden 2016 udviklet sig fra et internt laboratorieprogram til det nuværende brugerprogram. Sponsoreret af DOE's Advanced Scientific Computing Research (ASCR)-program, adopterede kvantebrugerprogrammet den samme HPC-brugermodel som ASCRs lederskabscomputerfaciliteter, som gennemgår videnskabelige forslag til potentiel effekt og værdi for at allokere tid på computersystemer.

"Vi leder efter gennemførlighed - forsøger de at løse et problem, der endda vil passe på en kvantecomputer - og teknisk parathed og anvendelse," sagde Humble.

QCUP-brugerassistance-support inkluderer et Science Engagement Team, der hjælper forskere med at portere deres kode, selvom mange brugere tidligere har været "ekspert kvantebrugere," sagde han. "De har skrevet programmer og er klar til at gå."

Mange brugere kommer fra videnskabelige programmer med forskningsmæssige bånd til kvante, såsom højenergi- og kernefysik og fusionsenergi. For eksempel brugte et hold ledet af Lawrence Berkeley National Laboratory QCUP-ressourcer til simulere en del af to protoner, der kolliderer, opdeler fysikberegninger til dem, der er bedst egnede til klassisk versus kvanteberegning for at inkludere kvanteeffekter, som en klassisk computer ellers ville tilnærme.

”Langt set har fysikken mest tilstedeværelse. For det andet er sandsynligvis datalogi, som inkluderer bygning af værktøjer, der muliggør bedre ydeevne af en kvantecomputer," sagde Humble.

I et andet QCUP-projekt, et hold ledet af University of Chicago og Argonne National Laboratory forskere simulerede kvantespindefekter, med applikationer til kodning af information i kvantecomputere. I dette tilfælde brugte de klassiske beregninger til at validere og reducere fejl i deres kvanteberegninger.

Kunstig intelligens (AI) optræder også i grænsefladen mellem klassisk og kvanteberegning. Humble sagde, at målet med nogle computervidenskabelige projekter er at bruge kvantecomputere til at accelerere AI- og maskinlæringsarbejdsgange eller til at afdække kvantespecifik information i AI-genererede data.

Selvom programmet giver adgang til kvantecomputere gennem en HPC-brugerfacilitet, er disse computere ikke integreret med HPC-systemer. Et af de ultimative mål med QCUP er at forbinde kvante- og HPC-systemer, men der er kortsigtede barrierer.

"En del af barrieren nu er, at kvanteberegning er så tidligt. Hvis man ser på, hvad en kvantecomputer er i dag, vil den om 6 måneder blive erstattet af noget nyt,” sagde Humble.

Fra et teknisk perspektiv kræver kvantecomputere stadig særlig vedligeholdelse og kan endnu ikke konkurrere med HPC's ydeevne. Fra et brugerperspektiv har træningshinder for det meste henvist kvantecomputere til kvanteeksperterne.

"Uddannelsesmaterialet, du skal bruge for at begynde at bruge kvantecomputere, er også i sin vorden," sagde Humble. "For langt de fleste HPC-brugere, der ønsker at adoptere kvante, er vi nødt til at skabe træningsressourcer til dem."

Selvom mange HPC-kvantesamarbejder stadig er i deres tidlige dage, kan erfaringer fra programmer som QCUP og kvanteprojekter på andre HPC-centre være med til at sætte scenen for fremtidig HPC-kvanteintegration.

Katie Elyce Jones er grundlægger og redaktør af forskningsnyhedspublikation PillarQ.