Les utilisateurs de l'informatique quantique travaillent aux côtés de superordinateurs classiques : une entrevue avec Travis Humble au Oak Ridge Lab

Par Katie Elyce Jones, rédactrice en chef, PillarQ

Alors que la communauté du calcul haute performance (HPC) regarde au-delà de la loi de Moore pour trouver des solutions pour accélérer les systèmes futurs, l'une des technologies à l'avant-garde est l'informatique quantique, qui accumule chaque année des milliards de dollars de financement mondial pour la R&D.

Il n'est peut-être pas surprenant que les centres HPC - y compris l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), qui abrite le premier supercalculateur exascale au monde, Frontier - trouvent des moyens d'exploiter et de faire progresser les systèmes quantiques.

Situé au Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) dans le Tennessee et financé par le Département américain de l'énergie (DOE), l'OLCF Programme utilisateur d'informatique quantique (QCUP) fournit aux utilisateurs scientifiques un accès à distance aux principaux systèmes informatiques quantiques commerciaux. Actuellement, le programme offre un accès à différentes architectures supraconductrices d'IBM Quantum Services et de Rigetti Quantum Cloud Services, ainsi qu'à des ordinateurs et émulateurs à ions piégés Quantinuum. Le programme prépare également l'accès à un système d'ions piégés IonQ.

Dans une nouvelle initiative cette année, OLCF et QCUP relient quantique et HPC grâce à un programme d'allocation hybride qui offre un double accès aux fournisseurs quantiques de QCUP et aux supercalculateurs d'OLCF.

« Le but de QCUP est de nous aider à comprendre comment la technologie [quantique] se développe et de nous aider à prévoir quand nous voudrions que cette technologie fasse partie du prochain système HPC », a déclaré Travis Humble, directeur de QCUP.

Humble est également directeur de l'ORNL Centre des sciences quantiques, qui est financé par un autre programme du DOE - les centres nationaux de recherche sur les sciences de l'information quantique - mais partage des intérêts qui se chevauchent dans la recherche et le développement quantiques. Il sera panéliste pour "Quantum Computing: A Future for HPC Acceleration?" à SC22 (The International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage, and Analysis) le vendredi 18 novembre.

Humble a déclaré que QCUP propose une gamme de systèmes informatiques quantiques pour explorer ce qui fonctionne le mieux pour certains problèmes et que l'informatique classique fait partie de cette exploration. « Nous ne connaissons pas encore le meilleur matériel et comment les applications vont correspondre. L'informatique quantique, en tant que théorie, nous offre un tout nouveau terrain de jeu dans lequel tester le calcul, informer la découverte scientifique, de sorte qu'il modifie les types de problèmes que nous pouvons réellement calculer. Un supercalculateur est puissant, mais il est également limité. Hybrid prend le meilleur des deux mondes.

Cependant, il a averti que peu d'applications font actuellement bon usage des deux appareils, et l'intention des nouvelles allocations hybrides quantiques-classiques de QCUP est de trouver des applications qui fonctionnent bien sur les deux.

Superordinateur frontière

QCUP compte environ 250 utilisateurs et a évolué depuis 2016 d'un programme de laboratoire interne au programme utilisateur actuel. Parrainé par le programme Advanced Scientific Computing Research (ASCR) du DOE, le programme utilisateur quantique a adopté le même modèle d'utilisateur HPC que les installations informatiques de pointe de l'ASCR, qui examinent les propositions scientifiques pour leur impact potentiel et leur mérite d'allouer du temps aux systèmes informatiques.

"Nous recherchons la faisabilité - essaient-ils de résoudre un problème qui tiendra même sur un ordinateur quantique - et la préparation et l'application techniques", a déclaré Humble.

Le support d'assistance aux utilisateurs QCUP comprend une équipe d'engagement scientifique qui aide les chercheurs à porter leur code, bien que dans le passé, de nombreux utilisateurs aient été des "utilisateurs quantiques experts", a-t-il déclaré. "Ils ont écrit des programmes et sont prêts à partir."

De nombreux utilisateurs proviennent de programmes scientifiques liés à la recherche quantique, tels que la physique des hautes énergies et nucléaire et l'énergie de fusion. Par exemple, une équipe dirigée par Lawrence Berkeley National Laboratory a utilisé les ressources QCUP pour simuler une portion de deux protons entrant en collision, divisant les calculs de physique en ceux qui conviennent le mieux à l'informatique classique par rapport à l'informatique quantique afin d'inclure les effets quantiques qu'un ordinateur classique se rapprocherait autrement.

« De loin, la physique est la plus présente. Deuxièmement, il y a probablement l'informatique, qui comprend la construction d'outils permettant de meilleures performances d'un ordinateur quantique », a déclaré Humble.

Dans un autre projet QCUP, une équipe dirigée par des chercheurs de l'Université de Chicago et du Laboratoire national d'Argonne défauts de spin quantique simulés, avec des applications pour encoder des informations dans des ordinateurs quantiques. Dans ce cas, ils ont utilisé des calculs classiques pour valider et réduire les erreurs dans leurs calculs quantiques.

L'intelligence artificielle (IA) fait également son apparition à l'interface de l'informatique classique et quantique. Humble a déclaré que l'objectif de certains projets informatiques est d'utiliser l'informatique quantique pour accélérer les flux de travail d'IA et d'apprentissage automatique ou pour découvrir des informations spécifiques au quantique dans les données générées par l'IA.

Bien que le programme permette d'accéder aux ordinateurs quantiques via une installation utilisateur HPC, ces ordinateurs ne sont pas intégrés aux systèmes HPC. L'un des objectifs ultimes de QCUP est de connecter les systèmes quantiques et HPC, mais il existe des obstacles à court terme.

"Une partie de la barrière est maintenant que l'informatique quantique est si tôt. Si vous regardez ce qu'est un ordinateur quantique aujourd'hui, dans 6 mois, il sera remplacé par quelque chose de nouveau », a déclaré Humble.

D'un point de vue technique, les ordinateurs quantiques nécessitent encore une maintenance particulière et ne peuvent pas encore rivaliser avec les performances du HPC. Du point de vue de l'utilisateur, les obstacles à la formation ont principalement relégué l'informatique quantique aux experts quantiques.

"Le matériel de formation dont vous avez besoin pour commencer à utiliser l'informatique quantique en est également à ses balbutiements", a déclaré Humble. "Pour la grande majorité des utilisateurs HPC qui souhaitent adopter le quantum, nous devons créer des ressources de formation pour eux."

Bien que de nombreuses collaborations HPC-quantique en soient encore à leurs débuts, les expériences de programmes comme QCUP et de projets quantiques dans d'autres centres HPC pourraient aider à préparer le terrain pour une future intégration HPC-quantique.

Katie Elyce Jones est fondatrice et rédactrice en chef de la publication Research News PilierQ.