A kvantumszámítógép-felhasználók a klasszikus szuperszámítógépek mellett dolgoznak: Interjú Travis Humble-lel az Oak Ridge Labban

Írta: Katie Elyce Jones, szerkesztő, PillarQ

Miközben a nagy teljesítményű számítástechnika (HPC) közössége a Moore-törvény határán túl keres megoldásokat a jövő rendszereinek felgyorsítására, az egyik élenjáró technológia a kvantumszámítás, amely évente több milliárd dolláros globális kutatás-fejlesztési támogatást halmoz fel.

Talán nem meglepő, hogy a HPC központok – köztük az Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), amely a világ első exascale szuperszámítógépének, a Frontiernek ad otthont – keresik a módját a kvantumrendszerek kihasználásának és fejlesztésének.

Az OLCF az Oak Ridge National Laboratoryban (ORNL) található Tennessee államban, és az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma (DOE) finanszírozza. Quantum Computing felhasználói program (QCUP) a tudományok felhasználóinak távoli hozzáférést biztosít a főbb kereskedelmi kvantumszámítógép-rendszerekhez. Jelenleg a program hozzáférést biztosít az IBM Quantum Services és a Rigetti Quantum Cloud Services különböző szupravezető architektúráihoz, valamint Quantinuum trapped-ion számítógépekhez és emulátorokhoz. A program egy IonQ csapdás-ion rendszerhez való hozzáférést is előkészíti.

Idén egy új kezdeményezésben, az OLCF és a QCUP a kvantumot és a HPC-t egy hibrid allokációs programon keresztül köti össze, amely kettős hozzáférést biztosít a QCUP kvantumszállítóihoz és az OLCF szuperszámítógépeihez.

"A QCUP célja, hogy segítsen megérteni, hogyan fejlődik a [kvantum] technológia, és segítsen előre jelezni, mikor szeretnénk, hogy ez a technológia a következő HPC rendszer része legyen" - mondta Travis Humble, a QCUP igazgatója.

Humble az ORNL igazgatója is Kvantum Tudományos Központ, amelyet egy másik DOE program – a National Quantum Information Science Research Centers – finanszíroz, de a kvantumkutatás és -fejlesztés terén átfedő érdekeltségei vannak. A „Quantum Computing: A Future for HPC Acceleration?” panel tagja lesz. nál nél SC22 (The International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage, and Analysis) november 18-án, pénteken.

Humble elmondta, hogy a QCUP egy sor kvantumszámítási rendszert kínál annak feltárására, hogy bizonyos problémák esetén mi a legmegfelelőbb, és hogy a klasszikus számítástechnika ennek a feltárásnak a részét képezi. „Még nem ismerjük a legjobb hardvert és azt, hogy az alkalmazások hogyan fognak illeszkedni. A kvantumszámítás, mint elmélet, egy teljesen új játékteret ad számunkra, ahol kipróbálhatjuk a számítást, hogy tájékozódjunk a tudományos felfedezésekről, így megváltoztatja a ténylegesen kiszámítható problémák típusait. A szuperszámítógép erős – de korlátozott is. A hibrid mindkét világból a legjobbat hozza ki.”

Ugyanakkor felhívta a figyelmet arra, hogy jelenleg nem sok alkalmazás használja ki megfelelően mindkét eszközt, és a QCUP új kvantum-klasszikus hibrid allokációinak célja, hogy olyan alkalmazásokat találjanak, amelyek mindkettőn jól működnek.

Frontier szuperszámítógép

A QCUP-nak körülbelül 250 felhasználója van, és 2016 óta egy belső laboratóriumi programból a jelenlegi felhasználói programmá fejlődött. A DOE Advanced Scientific Computing Research (ASCR) programja által szponzorált kvantumfelhasználói program ugyanazt a HPC felhasználói modellt alkalmazta, mint az ASCR vezető számítástechnikai létesítményei, amelyek felülvizsgálják a tudományos javaslatokat a számítástechnikai rendszerekre vonatkozó lehetséges hatások és érdemek szempontjából.

„Keresünk a megvalósíthatóságot – olyan problémát próbálnak megoldani, amely akár kvantumszámítógépen is elfér –, valamint a technikai felkészültséget és alkalmazást” – mondta Humble.

A QCUP felhasználói segítségnyújtási támogatása magában foglal egy Science Engagement Teamet, amely segíti a kutatókat a kódjuk áthelyezésében, bár korábban sok felhasználó „szakértő kvantumfelhasználó” volt – mondta. – Programokat írtak, és készen állnak az indulásra.

Sok felhasználó olyan tudományos programokból származik, amelyek kutatási kapcsolatban állnak a kvantummal, például a nagyenergiájú, magfizika és a fúziós energia területén. Például egy Lawrence Berkeley National Laboratory által vezetett csapat a QCUP erőforrásait használta fel szimulálja két proton egy részének ütközését, a fizikai számításokat a klasszikus és a kvantumszámításhoz legalkalmasabbakra bontja, hogy olyan kvantumhatásokat is tartalmazzon, amelyeket egyébként egy klasszikus számítógép megközelítene.

„Messze a fizika van a legtöbben jelen. A második valószínűleg a számítástechnika, amely magában foglalja a kvantumszámítógép jobb teljesítményét lehetővé tévő eszközök építését” – mondta Humble.

Egy másik QCUP projektben a Chicagói Egyetem és az Argonne National Laboratory kutatói által vezetett csapat szimulált kvantum spin hibák, az információk kvantumszámítógépekben való kódolására szolgáló alkalmazásokkal. Ebben az esetben klasszikus számításokat alkalmaztak a kvantumszámításaik hibáinak validálására és csökkentésére.

A mesterséges intelligencia (AI) a klasszikus és a kvantumszámítástechnika felületén is megjelenik. Humble szerint egyes számítástechnikai projektek célja a kvantumszámítástechnika felhasználása a mesterséges intelligencia és a gépi tanulás munkafolyamatainak felgyorsítására, illetve kvantumspecifikus információk feltárására az AI által generált adatokban.

Bár a program hozzáférést biztosít kvantumszámítógépekhez egy HPC felhasználói eszközön keresztül, ezek a számítógépek nincsenek integrálva HPC rendszerekkel. A QCUP egyik végső célja a kvantum- és HPC-rendszerek összekapcsolása, de vannak rövid távú akadályok.

„Most az akadály egyik része, hogy a kvantumszámítás olyan korai. Ha megnézzük, milyen egy kvantumszámítógép ma, 6 hónap múlva, valami új váltja fel” – mondta Humble.

Technikai szempontból a kvantumszámítógépek még mindig különleges karbantartást igényelnek, és még nem vehetik fel a versenyt a HPC teljesítményével. Felhasználói szempontból a képzési akadályok többnyire a kvantumszámítástechnikát a kvantumszakértők kezébe tették.

„A kvantumszámítás használatának megkezdéséhez szükséges oktatóanyag szintén gyerekcipőben jár” – mondta Humble. „A kvantumot alkalmazni kívánó HPC-felhasználók túlnyomó többsége számára képzési forrásokat kell létrehoznunk számukra.”

Bár sok HPC-kvantum-együttműködés még a kezdeti szakaszban van, a QCUP-hoz hasonló programok és más HPC-központok kvantumprojektjei során szerzett tapasztalatok segíthetnek megalapozni a jövőbeli HPC-kvantum-integrációt.

Katie Elyce Jones a kutatási hírlap alapítója és szerkesztője PillarQ.