Benutzer von Quantencomputern arbeiten neben klassischen Supercomputern: Ein Interview mit Travis Humble vom Oak Ridge Lab

Von Katie Elyce Jones, Herausgeberin, PillarQ

Während die High Performance Computing (HPC)-Community über den Rand des Mooreschen Gesetzes hinaus nach Lösungen zur Beschleunigung zukünftiger Systeme sucht, ist eine Technologie an der Spitze das Quantencomputing, das jedes Jahr Milliarden von Dollar an globalen F&E-Mitteln anhäuft.

Vielleicht ist es keine Überraschung, dass HPC-Zentren – einschließlich der Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), Heimat des weltweit ersten Exascale-Supercomputers Frontier – Wege finden, Quantensysteme zu nutzen und voranzutreiben.

Befindet sich im Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in Tennessee und wird vom US-Energieministerium (DOE) und den OLCFs finanziert Quantum Computing-Benutzerprogramm (QCUP) bietet Benutzern in den Wissenschaften Fernzugriff auf große, kommerzielle Quantencomputersysteme. Derzeit bietet das Programm Zugriff auf verschiedene supraleitende Architekturen von IBM Quantum Services und Rigetti Quantum Cloud Services sowie Quantinuum Trapped-Ion-Computer und -Emulatoren. Das Programm bereitet auch den Zugang zu einem IonQ-Trapped-Ion-System vor.

In einer neuen Initiative in diesem Jahr, OLCF und QCUP überbrücken Quanten- und HPC durch ein hybrides Zuweisungsprogramm, das dualen Zugang zu den Quantenanbietern von QCUP und den Supercomputern von OLCF bietet.

„Der Zweck von QCUP besteht darin, uns dabei zu helfen, zu verstehen, wie sich die [Quanten-]Technologie entwickelt, und uns zu helfen, vorherzusagen, wann diese Technologie Teil des nächsten HPC-Systems sein soll“, sagte Travis Humble, QCUP-Direktor.

Humble ist auch Direktor von ORNL's Zentrum für Quantenwissenschaft, das durch ein anderes DOE-Programm – die National Quantum Information Science Research Centers – finanziert wird, aber überlappende Interessen in der Quantenforschung und -entwicklung teilt. Er wird Diskussionsteilnehmer für „Quantum Computing: A Future for HPC Acceleration?“ sein. bei SC22 (The International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage, and Analysis) am Freitag, den 18. November.

Laut Humble bietet QCUP eine Reihe von Quantencomputersystemen an, um zu untersuchen, was für bestimmte Probleme am besten funktioniert, und dass klassisches Computing ein Teil dieser Erforschung ist. „Wir kennen noch nicht die beste Hardware und wie die Anwendungen zusammenpassen. Quantencomputing als Theorie bietet uns einen ganz neuen Spielplatz, auf dem wir Berechnungen ausprobieren, wissenschaftliche Entdeckungen informieren können, sodass sich die Arten von Problemen ändern, die wir tatsächlich berechnen können. Ein Supercomputer ist leistungsfähig – aber auch eingeschränkt. Hybrid vereint das Beste aus beiden Welten.“

Er warnte jedoch davor, dass derzeit nicht viele Anwendungen beide Geräte gut nutzen, und die Absicht der neuen quantenklassischen Hybridzuweisungen von QCUP ist es, Anwendungen zu finden, die auf beiden gut laufen.

Grenz-Supercomputer

QCUP hat etwa 250 Benutzer und hat sich seit 2016 von einem internen Laborprogramm zum aktuellen Benutzerprogramm entwickelt. Das vom Advanced Scientific Computing Research (ASCR)-Programm des DOE gesponserte Quantenbenutzerprogramm übernahm das gleiche HPC-Benutzermodell wie die führenden Computereinrichtungen von ASCR, die wissenschaftliche Vorschläge auf potenzielle Auswirkungen und Verdienst prüfen, um Zeit für Computersysteme zuzuweisen.

„Wir suchen nach Machbarkeit – versuchen sie, ein Problem zu lösen, das sogar auf einen Quantencomputer passt – und nach technischer Bereitschaft und Anwendung“, sagte Humble.

Die Benutzerunterstützung von QCUP umfasst ein Science Engagement Team, das Forscher bei der Portierung ihres Codes unterstützt, obwohl viele Benutzer in der Vergangenheit „Experten-Quantenbenutzer“ waren, sagte er. „Sie haben Programme geschrieben und sind startklar.“

Viele Nutzer kommen aus wissenschaftlichen Programmen mit Forschungsbezug zu Quanten, wie Hochenergie- und Kernphysik und Fusionsenergie. Beispielsweise nutzte ein Team unter der Leitung des Lawrence Berkeley National Laboratory QCUP-Ressourcen, um Simulieren Sie einen Teil der Kollision zweier Protonen, wobei physikalische Berechnungen in diejenigen aufgeteilt werden, die am besten für klassisches und Quantencomputing geeignet sind, um Quanteneffekte einzubeziehen, die ein klassischer Computer ansonsten annähern würde.

„Die Physik hat mit Abstand die größte Präsenz. An zweiter Stelle steht wahrscheinlich die Informatik, die den Bau von Werkzeugen umfasst, die eine bessere Leistung eines Quantencomputers ermöglichen“, sagte Humble.

In einem anderen QCUP-Projekt arbeitete ein Team unter der Leitung von Forschern der University of Chicago und des Argonne National Laboratory simulierte Quantenspindefekte, mit Anwendungen zur Codierung von Informationen in Quantencomputern. In diesem Fall verwendeten sie klassische Berechnungen, um Fehler in ihren Quantenberechnungen zu validieren und zu reduzieren.

An der Schnittstelle von klassischem und Quantencomputing tritt auch die Künstliche Intelligenz (KI) auf. Laut Humble besteht das Ziel einiger Informatikprojekte darin, Quantencomputing zu nutzen, um KI- und maschinelle Lernabläufe zu beschleunigen oder quantenspezifische Informationen in KI-generierten Daten aufzudecken.

Obwohl das Programm über eine HPC-Benutzereinrichtung Zugriff auf Quantencomputer bietet, sind diese Computer nicht in HPC-Systeme integriert. Eines der ultimativen Ziele von QCUP ist die Verbindung von Quanten- und HPC-Systemen, aber es gibt kurzfristige Hindernisse.

„Ein Teil der Barriere besteht jetzt darin, dass Quantencomputing so früh ist. Wenn Sie sich ansehen, was ein Quantencomputer heute ist, wird er in 6 Monaten durch etwas Neues ersetzt“, sagte Humble.

Aus technischer Sicht bedürfen Quantencomputer noch einer besonderen Wartung und können noch nicht mit der Leistungsfähigkeit von HPC mithalten. Aus Anwendersicht haben Trainingshürden das Quantencomputing meist zu den Quantenexperten verbannt.

„Das Schulungsmaterial, das Sie benötigen, um mit der Verwendung von Quantencomputern zu beginnen, steckt ebenfalls in den Kinderschuhen“, sagte Humble. „Für die überwiegende Mehrheit der HPC-Benutzer, die Quanten einsetzen möchten, müssen wir Schulungsressourcen für sie erstellen.“

Obwohl viele HPC-Quanten-Kooperationen noch in den Anfängen stecken, können Erfahrungen aus Programmen wie QCUP und Quantenprojekten an anderen HPC-Zentren dazu beitragen, die Voraussetzungen für eine zukünftige HPC-Quanten-Integration zu schaffen.

Katie Elyce Jones ist Gründerin und Herausgeberin von Forschungsnachrichten SäuleQ.