Kvanttitietokoneiden käyttäjät työskentelevät klassisten supertietokoneiden rinnalla: Travis Humblen haastattelu Oak Ridge Labissa

Katie Elyce Jones, toimittaja, PillarQ

Kun korkean suorituskyvyn laskennan (HPC) yhteisö etsii Mooren lain partaalla ratkaisuja tulevaisuuden järjestelmien nopeuttamiseksi, yksi teknologian kärjessä on kvanttilaskenta, joka kerää vuosittain miljardeja dollareita maailmanlaajuista T&K-rahoitusta.

Ehkä ei ole yllätys, että HPC-keskukset – mukaan lukien Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), joka on maailman ensimmäisen eksakokoisen supertietokoneen Frontier kotipaikka – etsivät tapoja hyödyntää ja kehittää kvanttijärjestelmiä.

Sijaitsee Oak Ridge National Laboratoryssa (ORNL) Tennesseessä ja rahoittaa Yhdysvaltain energiaministeriö (DOE). Quantum Computing -käyttäjäohjelma (QCUP) tarjoaa tieteiden käyttäjille etäyhteyden tärkeimpiin kaupallisiin kvanttilaskentajärjestelmiin. Tällä hetkellä ohjelma tarjoaa pääsyn erilaisiin suprajohtaviin arkkitehtuureihin IBM Quantum Servicesilta ja Rigetti Quantum Cloud Servicesiltä sekä Quantinuum trapped-ion -tietokoneisiin ja -emulaattoreihin. Ohjelma valmistelee myös pääsyä IonQ trapped-ion -järjestelmään.

Tämän vuoden uudessa aloitteessa, OLCF ja QCUP yhdistävät kvantti- ja HPC:n hybridiallokointiohjelman kautta, joka tarjoaa kaksoispääsyn QCUP:n kvanttitoimittajiin ja OLCF:n supertietokoneisiin.

"QCUP:n tarkoitus on auttaa meitä ymmärtämään, kuinka [kvantti]teknologia kehittyy, ja auttaa meitä ennustamaan, milloin haluamme teknologian olevan osa seuraavaa HPC-järjestelmää", sanoi Travis Humble, QCUP:n johtaja.

Humble on myös ORNL:n johtaja Kvanttitiedekeskus, jota rahoitetaan toisesta DOE-ohjelmasta - National Quantum Information Science Research Centeristä - mutta jakaa päällekkäiset intressit kvanttitutkimuksessa ja -kehityksessä. Hän on paneelin "Quantum Computing: A Future for HPC Acceleration?" klo SC22 (International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage ja Analysis) perjantaina 18. marraskuuta.

Humble sanoi, että QCUP tarjoaa valikoiman kvanttilaskentajärjestelmiä tutkiakseen, mikä toimii parhaiten tietyissä ongelmissa, ja että klassinen tietojenkäsittely on osa tätä tutkimusta. ”Emme vielä tiedä parasta laitteistoa ja sitä, kuinka sovellukset sopivat yhteen. Kvanttilaskenta teoriana antaa meille täysin uuden leikkikentän, jossa voimme kokeilla laskentaa, antaa tietoa tieteellisistä löydöistä, joten se muuttaa todellisuudessa laskettavien ongelmien tyyppejä. Supertietokone on tehokas, mutta se on myös rajoitettu. Hybridi vie molempien maailmojen parhaat puolet."

Hän kuitenkin varoitti, että monet sovellukset eivät tällä hetkellä käytä molempia laitteita hyvin, ja QCUP:n uusien kvanttiklassisten hybridiallokaatioiden tarkoituksena on löytää sovelluksia, jotka toimivat hyvin molemmissa.

Frontier supertietokone

QCUPilla on noin 250 käyttäjää, ja se on kehittynyt vuodesta 2016 lähtien sisäisestä laboratorioohjelmasta nykyiseen käyttäjäohjelmaan. DOE:n Advanced Scientific Computing Research (ASCR) -ohjelman sponsoroima kvanttikäyttäjäohjelma otti käyttöön saman HPC-käyttäjämallin kuin ASCR:n johtavat laskentalaitteet, jotka tarkastelevat tieteellisten ehdotusten mahdollisia vaikutuksia ja ansioita laskentajärjestelmien ajan varaamisessa.

"Etsimme toteutettavuutta - yrittävätkö ratkaista ongelman, joka mahtuu jopa kvanttitietokoneeseen - ja teknistä valmiutta ja sovellusta", Humble sanoi.

QCUP-käyttäjätukeen kuuluu Science Engagement Team, joka auttaa tutkijoita koodin siirtämisessä, vaikka aiemmin monet käyttäjät ovat olleet "asiantuntijakvanttikäyttäjiä", hän sanoi. "He ovat kirjoittaneet ohjelmia ja ovat valmiita lähtemään."

Monet käyttäjät tulevat tieteellisistä ohjelmista, joilla on tutkimusyhteyksiä kvanttiin, kuten korkeaenergia- ja ydinfysiikka ja fuusioenergia. Esimerkiksi Lawrence Berkeley National Laboratoryn johtama tiimi käytti QCUP-resursseja simuloida osaa kahden protonin törmäyksestä, jakaa fysiikan laskelmat klassiseen vs. kvanttilaskentaan parhaiten soveltuviksi, jotta voidaan sisällyttää kvanttiefektit, joita klassinen tietokone muutoin arvioisi.

”Fysiikalla on ylivoimaisesti eniten läsnäoloa. Toinen on luultavasti tietojenkäsittelytiede, joka sisältää rakennustyökalut, jotka mahdollistavat kvanttitietokoneen paremman suorituskyvyn", Humble sanoi.

Toisessa QCUP-projektissa Chicagon yliopiston ja Argonne National Laboratoryn tutkijoiden johtama ryhmä simuloidut kvantispin defektit, jossa on sovelluksia tiedon koodaamiseen kvanttitietokoneissa. Tässä tapauksessa he käyttivät klassisia laskelmia validoidakseen ja vähentääkseen virheitä kvanttilaskentassaan.

Tekoäly (AI) esiintyy myös klassisen ja kvanttilaskennan rajapinnassa. Humble sanoi, että joidenkin tietojenkäsittelyprojektien tavoitteena on käyttää kvanttilaskentaa nopeuttamaan tekoälyn ja koneoppimisen työnkulkuja tai paljastamaan kvanttikohtaisia ​​tietoja tekoälyn tuottamasta tiedosta.

Vaikka ohjelma tarjoaa pääsyn kvanttitietokoneisiin HPC-käyttäjätoiminnon kautta, näitä tietokoneita ei ole integroitu HPC-järjestelmiin. Yksi QCUP:n perimmäisistä tavoitteista on kvantti- ja HPC-järjestelmien yhdistäminen, mutta lähiajan esteitä on.

”Osa esteenä on nyt se, että kvanttilaskenta on niin varhaista. Jos katsot mitä kvanttitietokone on tänään, kuuden kuukauden kuluttua, se korvataan jollain uudella", Humble sanoi.

Teknisestä näkökulmasta kvanttitietokoneet vaativat edelleen erityistä huoltoa, eivätkä ne voi vielä kilpailla HPC:n suorituskyvyn kanssa. Käyttäjän näkökulmasta koulutuksen esteet ovat enimmäkseen siirtäneet kvanttilaskentaa kvanttiasiantuntijoiden käsiin.

"Kvanttilaskennan käytön aloittamiseen tarvittava koulutusmateriaali on myös lapsenkengissään", Humble sanoi. "Suurin osalle HPC-käyttäjistä, jotka haluavat ottaa käyttöön kvantin, meidän on luotava koulutusresursseja heille."

Vaikka monet HPC-kvanttiyhteistyöt ovat vielä alkuaikoinaan, kokemukset ohjelmista, kuten QCUP ja kvanttiprojekteista muissa HPC-keskuksissa, voivat auttaa luomaan pohjan tulevalle HPC-kvanttiintegraatiolle.

Katie Elyce Jones on tutkimusuutisjulkaisun perustaja ja toimittaja PillarQ.