Pengguna Komputasi Kuantum Bekerja Bersama Superkomputer Klasik: Wawancara dengan Travis Humble di Oak Ridge Lab

Oleh Katie Elyce Jones, Editor, PillarQ

Saat komunitas komputasi kinerja tinggi (HPC) mencari solusi yang melampaui Hukum Moore untuk mempercepat sistem masa depan, salah satu teknologi terdepan adalah komputasi kuantum, yang mengumpulkan miliaran dolar dana Litbang global setiap tahun.

Mungkin tidak mengherankan jika pusat HPC — termasuk Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), rumah dari superkomputer exascale pertama di dunia, Frontier — menemukan cara untuk memanfaatkan dan memajukan sistem kuantum.

Terletak di Laboratorium Nasional Oak Ridge (ORNL) di Tennessee dan didanai oleh Departemen Energi AS (DOE), OLCF's Program Pengguna Komputasi Kuantum (QCUP) memberi pengguna akses jarak jauh sains ke sistem komputasi kuantum komersial utama. Saat ini, program ini menawarkan akses ke berbagai arsitektur superkonduktor dari IBM Quantum Services dan Rigetti Quantum Cloud Services, serta komputer dan emulator Quantinuum trap-ion. Program ini juga menyiapkan akses ke sistem IonQ trap-ion.

Dalam inisiatif baru tahun ini, OLCF dan QCUP menjembatani kuantum dan HPC melalui program alokasi hibrid yang menyediakan akses ganda ke vendor kuantum QCUP dan superkomputer OLCF.

“Tujuan QCUP adalah untuk membantu kami memahami bagaimana teknologi [kuantum] berkembang dan membantu kami memperkirakan kapan kami ingin teknologi tersebut menjadi bagian dari sistem HPC berikutnya,” kata Travis Humble, direktur QCUP.

Humble juga direktur ORNL's Pusat Sains Kuantum, yang didanai melalui program DOE yang berbeda—Pusat Penelitian Sains Informasi Kuantum Nasional—tetapi berbagi kepentingan yang tumpang tindih dalam penelitian dan pengembangan kuantum. Dia akan menjadi panelis untuk "Komputasi Kuantum: Masa Depan untuk Akselerasi HPC?" pada SC22 (The International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage, and Analysis) pada Jumat, 18 November.

Humble mengatakan QCUP menawarkan berbagai sistem komputasi kuantum untuk mengeksplorasi apa yang terbaik untuk masalah tertentu dan komputasi klasik adalah bagian dari eksplorasi ini. “Kami belum mengetahui perangkat keras terbaik dan bagaimana aplikasi akan cocok. Komputasi kuantum, sebagai sebuah teori, memberi kita tempat bermain yang benar-benar baru untuk mencoba perhitungan, untuk menginformasikan penemuan ilmiah, sehingga mengubah jenis masalah yang benar-benar dapat kita hitung. Superkomputer sangat kuat—tetapi juga dibatasi. Hybrid mengambil yang terbaik dari kedua dunia.”

Namun, dia memperingatkan bahwa saat ini tidak banyak aplikasi yang menggunakan kedua perangkat dengan baik, dan maksud dari alokasi hibrid kuantum-klasik baru QCUP adalah untuk menemukan aplikasi yang berjalan dengan baik pada keduanya.

Superkomputer perbatasan

QCUP memiliki sekitar 250 pengguna dan telah berkembang sejak 2016 dari program laboratorium internal menjadi program pengguna saat ini. Disponsori oleh program Advanced Scientific Computing Research (ASCR) DOE, program pengguna kuantum mengadopsi model pengguna HPC yang sama dengan fasilitas komputasi kepemimpinan ASCR, yang meninjau proposal ilmiah untuk dampak potensial dan manfaat untuk mengalokasikan waktu pada sistem komputasi.

“Kami mencari kelayakan—apakah mereka mencoba memecahkan masalah yang bahkan akan muat di komputer kuantum—serta kesiapan teknis dan penerapannya,” kata Humble.

Dukungan bantuan pengguna QCUP mencakup Tim Keterlibatan Sains yang membantu peneliti dalam mentransfer kode mereka, meskipun di masa lalu banyak pengguna telah menjadi "pengguna kuantum ahli", katanya. "Mereka telah menulis program dan siap untuk pergi."

Banyak pengguna berasal dari program ilmiah yang memiliki ikatan penelitian dengan kuantum, seperti energi tinggi dan fisika nuklir dan energi fusi. Misalnya, tim yang dipimpin oleh Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley menggunakan sumber daya QCUP untuk mensimulasikan sebagian dari dua proton bertabrakan, memecah kalkulasi fisika menjadi kalkulasi yang paling cocok untuk komputasi klasik versus komputasi kuantum untuk menyertakan efek kuantum yang akan didekati oleh komputer klasik.

“Sejauh ini, fisika memiliki kehadiran paling banyak. Kedua mungkin adalah ilmu komputer, yang mencakup alat bangunan yang memungkinkan kinerja yang lebih baik dari komputer kuantum,” kata Humble.

Dalam proyek QCUP lainnya, tim yang dipimpin oleh peneliti University of Chicago dan Argonne National Laboratory simulasi cacat spin kuantum, dengan aplikasi untuk menyandikan informasi di komputer kuantum. Dalam hal ini, mereka menggunakan perhitungan klasik untuk memvalidasi dan mengurangi kesalahan dalam perhitungan kuantum mereka.

Kecerdasan buatan (AI) juga muncul di antarmuka komputasi klasik dan kuantum. Humble mengatakan tujuan dari beberapa proyek ilmu komputer adalah memanfaatkan komputasi kuantum untuk mempercepat AI dan alur kerja pembelajaran mesin atau untuk mengungkap informasi spesifik kuantum dalam data yang dihasilkan AI.

Meskipun program menyediakan akses ke komputer kuantum melalui fasilitas pengguna HPC, komputer ini tidak terintegrasi dengan sistem HPC. Salah satu tujuan akhir QCUP adalah menghubungkan sistem kuantum dan HPC, tetapi ada hambatan jangka pendek.

“Bagian dari penghalang sekarang adalah bahwa komputasi kuantum sangat awal. Jika Anda melihat komputer kuantum saat ini, dalam 6 bulan akan digantikan oleh sesuatu yang baru, ”kata Humble.

Dari segi teknis, komputer kuantum masih membutuhkan perawatan khusus dan belum bisa menyaingi kinerja HPC. Dari perspektif pengguna, rintangan pelatihan sebagian besar telah menurunkan komputasi kuantum ke ahli kuantum.

“Materi pelatihan yang Anda perlukan untuk mulai menggunakan komputasi kuantum juga masih dalam tahap awal,” kata Humble. “Untuk sebagian besar pengguna HPC yang ingin mengadopsi kuantum, kami harus membuat sumber daya pelatihan untuk mereka.”

Meskipun banyak kolaborasi HPC-kuantum masih dalam tahap awal, pengalaman dari program seperti QCUP dan proyek kuantum di pusat HPC lainnya dapat membantu mengatur panggung untuk integrasi HPC-kuantum di masa mendatang.

Katie Elyce Jones adalah pendiri dan editor publikasi berita penelitian PilarQ.