Οι χρήστες Quantum Computing εργάζονται παράλληλα με κλασικούς υπερυπολογιστές: Μια συνέντευξη με τον Travis Humble στο Oak Ridge Lab

Από την Katie Elyce Jones, Editor, PillarQ

Καθώς η κοινότητα των υπολογιστών υψηλής απόδοσης (HPC) κοιτάζει πέρα ​​από το χείλος του νόμου του Moore για λύσεις για την επιτάχυνση των μελλοντικών συστημάτων, μια τεχνολογία στην πρώτη γραμμή είναι ο κβαντικός υπολογιστής, ο οποίος συγκεντρώνει δισεκατομμύρια δολάρια παγκόσμιας χρηματοδότησης Ε&Α κάθε χρόνο.

Ίσως δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι τα κέντρα HPC - συμπεριλαμβανομένου του Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), του πρώτου υπερυπολογιστή exascale στον κόσμο, του Frontier - βρίσκουν τρόπους να αξιοποιήσουν και να προωθήσουν κβαντικά συστήματα.

Βρίσκεται στο Oak Ridge National Laboratory (ORNL) στο Τενεσί και χρηματοδοτείται από το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE), το OLCF's Πρόγραμμα χρήστη Quantum Computing (QCUP) παρέχει στους χρήστες των επιστημών απομακρυσμένη πρόσβαση σε μεγάλα, εμπορικά συστήματα κβαντικών υπολογιστών. Επί του παρόντος, το πρόγραμμα προσφέρει πρόσβαση σε διαφορετικές αρχιτεκτονικές υπεραγωγιμότητας από τις IBM Quantum Services και τις Rigetti Quantum Cloud Services, καθώς και από υπολογιστές και εξομοιωτές με παγιδευμένα ιόντα Quantinuum. Το πρόγραμμα προετοιμάζει επίσης την πρόσβαση σε ένα σύστημα παγιδευμένων ιόντων IonQ.

Σε μια νέα πρωτοβουλία φέτος, OLCF και QCUP γεφυρώνουν το κβαντικό και το HPC μέσω ενός υβριδικού προγράμματος κατανομής που παρέχει διπλή πρόσβαση στους κβαντικούς προμηθευτές του QCUP και στους υπερυπολογιστές του OLCF.

«Ο σκοπός του QCUP είναι να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε πώς αναπτύσσεται η [κβαντική] τεχνολογία και να μας βοηθήσει να προβλέψουμε πότε θα θέλαμε αυτή η τεχνολογία να είναι μέρος του επόμενου συστήματος HPC», δήλωσε ο Travis Humble, διευθυντής του QCUP.

Ο Humble είναι επίσης διευθυντής του ORNL's Κέντρο Κβαντικών Επιστημών, το οποίο χρηματοδοτείται μέσω ενός διαφορετικού προγράμματος DOE—των Εθνικών Κέντρων Έρευνας Επιστήμης της Κβαντικής Πληροφορίας—αλλά μοιράζεται αλληλοεπικαλυπτόμενα συμφέροντα στην κβαντική έρευνα και ανάπτυξη. Θα είναι μέλος της ομάδας "Quantum Computing: A Future for HPC Acceleration?" στο SC22 (The International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage, and Analysis) την Παρασκευή 18 Νοεμβρίου.

Η Humble είπε ότι το QCUP προσφέρει μια σειρά από συστήματα κβαντικών υπολογιστών για να διερευνήσει τι λειτουργεί καλύτερα για ορισμένα προβλήματα και ότι ο κλασικός υπολογισμός είναι μέρος αυτής της εξερεύνησης. «Δεν γνωρίζουμε ακόμη το καλύτερο υλικό και πώς θα ταιριάζουν οι εφαρμογές. Ο κβαντικός υπολογισμός, ως θεωρία, μας δίνει μια εντελώς νέα παιδική χαρά στην οποία μπορούμε να δοκιμάσουμε υπολογισμούς, για να ενημερώσουμε την επιστημονική ανακάλυψη, έτσι αλλάζει τους τύπους προβλημάτων που μπορούμε πραγματικά να υπολογίσουμε. Ένας υπερυπολογιστής είναι ισχυρός, αλλά είναι επίσης περιορισμένος. Το Hybrid παίρνει το καλύτερο και των δύο κόσμων."

Ωστόσο, προειδοποίησε ότι δεν υπάρχουν πολλές εφαρμογές προς το παρόν που κάνουν καλή χρήση και των δύο συσκευών και η πρόθεση των νέων κβαντικών-κλασικών υβριδικών εκχωρήσεων του QCUP είναι να βρουν εφαρμογές που λειτουργούν καλά και στις δύο.

Υπερυπολογιστής Frontier

Το QCUP έχει περίπου 250 χρήστες και έχει εξελιχθεί από το 2016 από ένα πρόγραμμα εσωτερικού εργαστηρίου στο τρέχον πρόγραμμα χρηστών. Χορηγούμενο από το πρόγραμμα Advanced Scientific Computing Research (ASCR) της DOE, το πρόγραμμα κβαντικών χρηστών υιοθέτησε το ίδιο μοντέλο χρήστη HPC με τις ηγετικές υπολογιστικές εγκαταστάσεις της ASCR, οι οποίες εξετάζουν επιστημονικές προτάσεις για πιθανή επίδραση και αξία για την κατανομή χρόνου στα υπολογιστικά συστήματα.

«Αναζητούμε τη σκοπιμότητα—προσπαθούν να λύσουν ένα πρόβλημα που θα ταιριάζει ακόμη και σε έναν κβαντικό υπολογιστή—και την τεχνική ετοιμότητα και εφαρμογή», ​​είπε ο Humble.

Η υποστήριξη βοήθειας χρηστών του QCUP περιλαμβάνει μια Ομάδα Επιστήμης Engagement που βοηθά τους ερευνητές να μεταφέρουν τον κώδικά τους, αν και στο παρελθόν πολλοί χρήστες ήταν «έμπειροι κβαντικοί χρήστες», είπε. «Έχουν γράψει προγράμματα και είναι έτοιμοι να ξεκινήσουν».

Πολλοί χρήστες προέρχονται από επιστημονικά προγράμματα με ερευνητικούς δεσμούς με το κβαντικό, όπως η υψηλής ενέργειας και η πυρηνική φυσική και η ενέργεια σύντηξης. Για παράδειγμα, μια ομάδα με επικεφαλής το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley χρησιμοποίησε πόρους QCUP για να προσομοίωση ενός τμήματος δύο πρωτονίων που συγκρούονται, σπάζοντας τους υπολογισμούς της φυσικής σε αυτούς που ταιριάζουν καλύτερα για κλασικούς έναντι κβαντικού υπολογισμού, προκειμένου να συμπεριληφθούν κβαντικά εφέ που διαφορετικά θα προσέγγιζε ένας κλασικός υπολογιστής.

«Με διαφορά, η φυσική έχει τη μεγαλύτερη παρουσία. Η δεύτερη είναι πιθανώς η επιστήμη των υπολογιστών, η οποία περιλαμβάνει εργαλεία κατασκευής που επιτρέπουν καλύτερη απόδοση ενός κβαντικού υπολογιστή», είπε ο Humble.

Σε ένα άλλο έργο QCUP, μια ομάδα με επικεφαλής ερευνητές του Πανεπιστημίου του Σικάγο και του Εθνικού Εργαστηρίου Argonne προσομοιωμένα ελαττώματα κβαντικού σπιν, με εφαρμογές για κωδικοποίηση πληροφοριών σε κβαντικούς υπολογιστές. Σε αυτή την περίπτωση, χρησιμοποίησαν κλασικούς υπολογισμούς για να επικυρώσουν και να μειώσουν τα σφάλματα στους κβαντικούς υπολογισμούς τους.

Η τεχνητή νοημοσύνη (AI) εμφανίζεται επίσης στη διεπαφή του κλασικού και του κβαντικού υπολογισμού. Ο Humble είπε ότι ο στόχος ορισμένων έργων επιστήμης υπολογιστών είναι η χρήση κβαντικών υπολογιστών για την επιτάχυνση των ροών εργασιών τεχνητής νοημοσύνης και μηχανικής μάθησης ή για την αποκάλυψη ειδικών κβαντικών πληροφοριών σε δεδομένα που δημιουργούνται από AI.

Παρόλο που το πρόγραμμα παρέχει πρόσβαση σε κβαντικούς υπολογιστές μέσω μιας εγκατάστασης χρήστη HPC, αυτοί οι υπολογιστές δεν είναι ενσωματωμένοι σε συστήματα HPC. Ένας από τους απώτερους στόχους του QCUP είναι η σύνδεση κβαντικών και HPC συστημάτων, αλλά υπάρχουν βραχυπρόθεσμα εμπόδια.

«Μέρος του φραγμού τώρα είναι ότι ο κβαντικός υπολογισμός είναι τόσο νωρίς. Αν κοιτάξετε τι είναι ένας κβαντικός υπολογιστής σήμερα, σε 6 μήνες, θα αντικατασταθεί από κάτι νέο», είπε ο Humble.

Από τεχνική άποψη, οι κβαντικοί υπολογιστές εξακολουθούν να απαιτούν ειδική συντήρηση και δεν μπορούν ακόμη να ανταγωνιστούν την απόδοση του HPC. Από την σκοπιά του χρήστη, τα εμπόδια εκπαίδευσης έχουν υποβιβάσει ως επί το πλείστον τον κβαντικό υπολογισμό στους ειδικούς της κβαντικής.

«Το εκπαιδευτικό υλικό που χρειάζεστε για να αρχίσετε να χρησιμοποιείτε τους κβαντικούς υπολογιστές είναι επίσης σε αρχικό στάδιο», είπε ο Humble. «Για τη συντριπτική πλειοψηφία των χρηστών HPC που θέλουν να υιοθετήσουν το κβαντικό, πρέπει να δημιουργήσουμε πόρους εκπαίδευσης για αυτούς».

Αν και πολλές συνεργασίες HPC-quantum βρίσκονται ακόμα στις πρώτες τους μέρες, οι εμπειρίες από προγράμματα όπως το QCUP και τα κβαντικά έργα σε άλλα κέντρα HPC μπορεί να βοηθήσουν να δημιουργηθεί το έδαφος για μελλοντική ενσωμάτωση HPC-quantum.

Η Katie Elyce Jones είναι ιδρύτρια και συντάκτρια ερευνητικών ειδήσεων PillarQ.