Los usuarios de computación cuántica trabajan junto con las supercomputadoras clásicas: una entrevista con Travis Humble en Oak Ridge Lab

Por Katie Elyce Jones, Editora, PillarQ

A medida que la comunidad de computación de alto rendimiento (HPC) mira más allá del borde de la Ley de Moore en busca de soluciones para acelerar los sistemas futuros, una tecnología a la vanguardia es la computación cuántica, que está acumulando miles de millones de dólares en fondos de I+D cada año.

Tal vez no sea una sorpresa que los centros de HPC, incluido el Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), sede de la primera supercomputadora a exaescala del mundo, Frontier, estén encontrando formas de aprovechar y hacer avanzar los sistemas cuánticos.

Ubicado en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) en Tennessee y financiado por el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), la OLCF Programa de usuario de computación cuántica (QCUP) proporciona a los usuarios de las ciencias acceso remoto a los principales sistemas comerciales de computación cuántica. Actualmente, el programa ofrece acceso a diferentes arquitecturas superconductoras de IBM Quantum Services y Rigetti Quantum Cloud Services, así como a computadoras y emuladores de iones atrapados de Quantinuum. El programa también está preparando el acceso a un sistema de iones atrapados IonQ.

En una nueva iniciativa este año, OLCF y QCUP están uniendo la cuántica y la HPC a través de un programa de asignación híbrido que brinda acceso dual a los proveedores cuánticos de QCUP y las supercomputadoras de OLCF.

“El propósito de QCUP es ayudarnos a comprender cómo se está desarrollando la tecnología [cuántica] y ayudarnos a pronosticar cuándo querríamos que esa tecnología sea parte del próximo sistema HPC”, dijo Travis Humble, director de QCUP.

Humble también es director de ORNL Centro de Ciencias Cuánticas, que está financiado a través de un programa diferente del DOE, los Centros Nacionales de Investigación de Ciencias de la Información Cuántica, pero comparte intereses superpuestos en la investigación y el desarrollo cuánticos. Será panelista de “Quantum Computing: A Future for HPC Acceleration?” a SC22 (La Conferencia Internacional de Informática, Redes, Almacenamiento y Análisis de Alto Rendimiento) el viernes 18 de noviembre.

Humble dijo que QCUP ofrece una gama de sistemas de computación cuántica para explorar qué funciona mejor para ciertos problemas y que la computación clásica es parte de esta exploración. “Todavía no sabemos cuál es el mejor hardware y cómo se combinarán las aplicaciones. La computación cuántica, como teoría, nos brinda un campo de juego completamente nuevo en el que probar la computación, para informar el descubrimiento científico, por lo que cambia los tipos de problemas que realmente podemos calcular. Una supercomputadora es poderosa, pero también está restringida. Hybrid toma lo mejor de ambos mundos”.

Sin embargo, advirtió que actualmente no hay muchas aplicaciones que hagan un buen uso de ambos dispositivos, y la intención de las nuevas asignaciones híbridas clásicas cuánticas de QCUP es encontrar aplicaciones que funcionen bien en ambos.

Supercomputadora Frontier

QCUP tiene alrededor de 250 usuarios y ha evolucionado desde 2016 de un programa de laboratorio interno al programa de usuario actual. Patrocinado por el programa Advanced Scientific Computing Research (ASCR) del DOE, el programa de usuario cuántico adoptó el mismo modelo de usuario de HPC que las instalaciones informáticas de liderazgo de ASCR, que revisan las propuestas científicas para el impacto potencial y el mérito para asignar tiempo a los sistemas informáticos.

“Buscamos la viabilidad, si están tratando de resolver un problema que incluso cabrá en una computadora cuántica, y la preparación técnica y la aplicación”, dijo Humble.

El soporte de asistencia al usuario de QCUP incluye un Equipo de Compromiso Científico que ayuda a los investigadores a portar su código, aunque en el pasado muchos usuarios han sido "usuarios cuánticos expertos", dijo. “Han escrito programas y están listos para funcionar”.

Muchos usuarios provienen de programas científicos relacionados con la investigación cuántica, como la física nuclear y de alta energía y la energía de fusión. Por ejemplo, un equipo dirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley usó los recursos de QCUP para simular una porción de dos protones chocando, dividiendo los cálculos físicos en aquellos que mejor se adaptan a la computación clásica frente a la cuántica para incluir los efectos cuánticos que de otro modo se aproximarían a una computadora clásica.

“De lejos, la física tiene la mayor presencia. En segundo lugar, probablemente esté la informática, que incluye la construcción de herramientas que permiten un mejor rendimiento de una computadora cuántica”, dijo Humble.

En otro proyecto QCUP, un equipo dirigido por investigadores de la Universidad de Chicago y el Laboratorio Nacional de Argonne defectos de espín cuántico simulados, con aplicaciones para codificar información en computadoras cuánticas. En este caso, utilizaron cálculos clásicos para validar y reducir errores en sus cálculos cuánticos.

La inteligencia artificial (IA) también hace acto de presencia en la interfaz de la computación clásica y cuántica. Humble dijo que el objetivo de algunos proyectos de ciencias de la computación es utilizar la computación cuántica para acelerar los flujos de trabajo de aprendizaje automático y de IA o para descubrir información específica cuántica en los datos generados por IA.

Aunque el programa brinda acceso a computadoras cuánticas a través de una instalación de usuario de HPC, estas computadoras no están integradas con los sistemas de HPC. Uno de los objetivos finales de QCUP es conectar los sistemas cuánticos y HPC, pero existen barreras a corto plazo.

“Parte de la barrera ahora es que la computación cuántica es muy temprana. Si observa lo que es una computadora cuántica hoy, en 6 meses, será reemplazada por algo nuevo”, dijo Humble.

Desde una perspectiva técnica, las computadoras cuánticas aún requieren un mantenimiento especial y aún no pueden competir con el rendimiento de HPC. Desde la perspectiva del usuario, los obstáculos de capacitación han relegado en su mayoría la computación cuántica a los expertos en cuántica.

“El material de capacitación que necesita para comenzar a usar la computación cuántica también está en pañales”, dijo Humble. “Para la gran mayoría de los usuarios de HPC que desean adoptar la tecnología cuántica, tenemos que crear recursos de capacitación para ellos”.

Aunque muchas colaboraciones HPC-quantum todavía están en sus inicios, las experiencias de programas como QCUP y proyectos cuánticos en otros centros de HPC pueden ayudar a preparar el escenario para la futura integración HPC-quantum.

Katie Elyce Jones es fundadora y editora de la publicación de noticias de investigación PilarQ.