Kvantarvutite kasutajad töötavad kõrvuti klassikaliste superarvutitega: intervjuu Travis Humble'iga Oak Ridge'i laboris

Autor Katie Elyce Jones, toimetaja, PillarQ

Kuna kõrgjõudlusega andmetöötluse (HPC) kogukond otsib tulevaste süsteemide kiirendamiseks lahendusi Moore'i seaduse piirist kaugemale, on üheks esirinnas olevaks tehnoloogiaks kvantandmetöötlus, mis kogub igal aastal miljardeid dollareid ülemaailmset teadus- ja arendustegevuse rahastamist.

Võib-olla pole üllatav, et HPC keskused – sealhulgas Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), mis on maailma esimese eksamõõtmelise superarvuti Frontier koduks – leiavad viise kvantsüsteemide võimendamiseks ja edasiarendamiseks.

OLCF asub Oak Ridge'i riiklikus laboris (ORNL) Tennessee osariigis ja rahastab USA energeetikaministeerium (DOE). Kvantarvutite kasutajaprogramm (QCUP) pakub teaduse kasutajatele kaugjuurdepääsu peamistele kaubanduslikele kvantarvutussüsteemidele. Praegu pakub programm juurdepääsu erinevatele ülijuhtivatele arhitektuuridele ettevõtetest IBM Quantum Services ja Rigetti Quantum Cloud Services, samuti Quantinuumi lõksuga ioonarvutitele ja emulaatoritele. Programm valmistab ette ka juurdepääsu IonQ lõksus-ioonsüsteemile.

Tänavu uues algatuses, OLCF ja QCUP ühendavad kvant- ja HPC-d hübriidjaotusprogrammi kaudu, mis pakub topeltjuurdepääsu QCUP-i kvanttarnijatele ja OLCF-i superarvutitele.

"QCUP-i eesmärk on aidata meil mõista, kuidas [kvant]tehnoloogia areneb, ja aidata meil prognoosida, millal soovime, et see tehnoloogia oleks osa järgmisest HPC-süsteemist," ütles QCUP-i direktor Travis Humble.

Humble on ka ORNL-i direktor Kvantteaduste keskus, mida rahastatakse erineva DOE programmi kaudu - riiklikud kvantinfoteaduse uurimiskeskused -, kuid millel on kattuvad huvid kvantuuringute ja arendustegevuse vallas. Temast saab paneeli "Kvantarvuti: HPC kiirenduse tulevik?" juures SC22 (The International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis) reedel, 18. novembril.

Humble ütles, et QCUP pakub hulgaliselt kvantarvutussüsteeme, et uurida, mis teatud probleemide puhul kõige paremini sobib, ja et klassikaline andmetöötlus on selle uurimise osa. "Me ei tea veel parimat riistvara ja seda, kuidas rakendused sobivad. Kvantarvutus kui teooria annab meile täiesti uue mänguväljaku, kus katsetada arvutusi ja anda teavet teaduslike avastuste kohta, nii et see muudab probleemide tüüpe, mida me tegelikult suudame arvutada. Superarvuti on võimas, kuid see on ka piiratud. Hübriid võtab mõlemast maailmast parima.

Siiski hoiatas ta, et praegu ei kasuta paljud rakendused mõlemat seadet hästi ning QCUP-i uute kvant-klassikaliste hübriideraldiste eesmärk on leida rakendusi, mis töötavad mõlemal hästi.

Frontier superarvuti

QCUP-il on umbes 250 kasutajat ja see on alates 2016. aastast arenenud sisemisest laboriprogrammist praeguseks kasutajaprogrammiks. DOE Advanced Scientific Computing Research (ASCR) programmi sponsoreeritud kvantkasutaja programm võttis kasutusele sama HPC kasutajamudeli nagu ASCRi juhtivad arvutusseadmed, mis vaatavad läbi teaduslikud ettepanekud võimaliku mõju ja arvutussüsteemidele aja eraldamise osas.

"Otsime teostatavust – kas nad püüavad lahendada probleemi, mis mahub isegi kvantarvutisse – ning tehnilist valmisolekut ja rakendust," ütles Humble.

QCUP-i kasutajaabi tugi sisaldab Science Engagement Teami, mis aitab teadlastel oma koodi teisaldada, kuigi varem on paljud kasutajad olnud "ekspertid kvantkasutajad", ütles ta. "Nad on kirjutanud programmid ja on valmis minema."

Paljud kasutajad pärinevad teadusprogrammidest, mis on seotud kvantuuringutega, näiteks kõrgenergia- ja tuumafüüsika ning termotuumaenergiaga. Näiteks kasutas Lawrence Berkeley riikliku labori juhitud meeskond QCUP-i ressursse simuleerida osa kahe prootoni kokkupõrkest, jagades füüsikaarvutused kõige sobivamateks klassikalisteks versus kvantarvutusteks, et hõlmata kvantefekte, mida klassikaline arvuti muidu lähendaks.

"Siiski on kõige rohkem kohal füüsika. Teiseks on ilmselt arvutiteadus, mis sisaldab tööriistu, mis võimaldavad kvantarvuti paremat jõudlust, ”ütles Humble.

Teises QCUP projektis Chicago ülikooli ja Argonne'i riikliku labori teadlaste juhitud meeskond simuleeritud kvantpöörlemise defektid, koos rakendustega teabe kodeerimiseks kvantarvutites. Sel juhul kasutasid nad kvantarvutustes tehtud vigade kinnitamiseks ja vähendamiseks klassikalisi arvutusi.

Tehisintellekt (AI) ilmub ka klassikalise ja kvantandmetöötluse liidesesse. Humble ütles, et mõne arvutiteaduse projekti eesmärk on kasutada kvantarvutust tehisintellekti ja masinõppe töövoogude kiirendamiseks või tehisintellekti loodud andmetes kvantispetsiifilise teabe avastamiseks.

Kuigi programm võimaldab juurdepääsu kvantarvutitele HPC kasutajaliidese kaudu, ei ole need arvutid HPC süsteemidega integreeritud. QCUP-i üks lõppeesmärke on kvant- ja HPC-süsteemide ühendamine, kuid lähiajal on takistusi.

"Osa takistusest on praegu see, et kvantarvuti on nii varane. Kui vaadata, milline on kvantarvuti täna, siis 6 kuu pärast asendub see millegi uuega,” ütles Humble.

Tehnilisest vaatenurgast vajavad kvantarvutid endiselt erilist hooldust ega suuda veel HPC jõudlusega konkureerida. Kasutaja vaatevinklist on treeningtõkked kvantarvutamise enamasti kvantekspertide hooleks jätnud.

"Kvantarvutite kasutamise alustamiseks vajalik koolitusmaterjal on samuti lapsekingades," ütles Humble. "Suurema osa HPC kasutajate jaoks, kes soovivad kvantit kasutada, peame looma neile koolitusressursse."

Kuigi paljud HPC-kvantkoostööd on alles algusjärgus, võivad selliste programmide nagu QCUP ja teiste HPC keskuste kvantprojektide kogemused aidata luua aluse tulevaseks HPC-kvantintegratsiooniks.

Katie Elyce Jones on teadusuudiste väljaande asutaja ja toimetaja PillarQ.