Gli utenti di Quantum Computing lavorano insieme ai supercomputer classici: un'intervista con Travis Humble all'Oak Ridge Lab

Di Katie Elyce Jones, redattore, PillarQ

Mentre la comunità del calcolo ad alte prestazioni (HPC) cerca soluzioni per accelerare i sistemi futuri oltre l'orlo della Legge di Moore, una tecnologia all'avanguardia è il calcolo quantistico, che sta accumulando miliardi di dollari di finanziamenti globali per la ricerca e lo sviluppo ogni anno.

Forse non sorprende che i centri HPC, tra cui l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), sede del primo supercomputer a esascala al mondo, Frontier, stiano trovando modi per sfruttare e far progredire i sistemi quantistici.

Situato presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) nel Tennessee e finanziato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), l'OLCF Programma utente di Quantum Computing (QCUP) fornisce agli utenti delle scienze l'accesso remoto ai principali sistemi di calcolo quantistico commerciali. Attualmente, il programma offre l'accesso a diverse architetture superconduttrici di IBM Quantum Services e Rigetti Quantum Cloud Services, oltre a computer ed emulatori a ioni intrappolati Quantinuum. Il programma sta inoltre preparando l'accesso a un sistema di ioni intrappolati IonQ.

In una nuova iniziativa quest'anno, OLCF e QCUP stanno collegando quantum e HPC attraverso un programma di allocazione ibrido che fornisce un doppio accesso ai fornitori quantistici di QCUP e ai supercomputer di OLCF.

"Lo scopo di QCUP è aiutarci a capire come si sta sviluppando la tecnologia [quantum] e aiutarci a prevedere quando vorremmo che quella tecnologia facesse parte del prossimo sistema HPC", ha affermato Travis Humble, direttore di QCUP.

Humble è anche direttore di ORNL's Centro di scienza quantistica, che è finanziato attraverso un diverso programma DOE, i National Quantum Information Science Research Centers, ma condivide interessi sovrapposti nella ricerca e nello sviluppo quantistico. Sarà un relatore per "Quantum Computing: A Future for HPC Acceleration?" a SC22 (The International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage, and Analysis) venerdì 18 novembre.

Humble ha affermato che QCUP offre una gamma di sistemi di calcolo quantistico per esplorare ciò che funziona meglio per determinati problemi e che il calcolo classico fa parte di questa esplorazione. “Non sappiamo ancora quale sia l'hardware migliore e come si adatteranno le applicazioni. Il calcolo quantistico, come teoria, ci offre un terreno di gioco completamente nuovo in cui provare il calcolo, per informare la scoperta scientifica, quindi cambia i tipi di problemi che possiamo effettivamente calcolare. Un supercomputer è potente, ma è anche limitato. L'ibrido prende il meglio di entrambi i mondi.

Tuttavia, ha avvertito che attualmente non molte applicazioni fanno buon uso di entrambi i dispositivi e l'intenzione delle nuove allocazioni ibride quantistiche-classiche di QCUP è quella di trovare applicazioni che funzionino bene su entrambi.

Supercomputer di frontiera

QCUP ha circa 250 utenti e si è evoluto dal 2016 da un programma di laboratorio interno all'attuale programma utente. Sponsorizzato dal programma ASCR (Advanced Scientific Computing Research) del DOE, il programma utente quantistico ha adottato lo stesso modello utente HPC delle strutture informatiche di leadership dell'ASCR, che esaminano le proposte scientifiche per il potenziale impatto e il merito di allocare tempo sui sistemi informatici.

"Cerchiamo la fattibilità - stanno cercando di risolvere un problema che si adatta anche a un computer quantistico - e prontezza tecnica e applicazione", ha detto Humble.

Il supporto per l'assistenza agli utenti di QCUP include un Science Engagement Team che assiste i ricercatori nel porting del loro codice, sebbene in passato molti utenti siano stati "utenti quantistici esperti", ha affermato. "Hanno scritto programmi e sono pronti a partire."

Molti utenti provengono da programmi scientifici con legami di ricerca con la quantistica, come la fisica delle alte energie e nucleare e l'energia di fusione. Ad esempio, un team guidato dal Lawrence Berkeley National Laboratory ha utilizzato le risorse QCUP per simulare una porzione di due protoni in collisione, rompendo i calcoli fisici in quelli più adatti per il calcolo classico rispetto a quello quantistico per includere effetti quantistici che un computer classico potrebbe altrimenti approssimare.

“Di gran lunga, la fisica ha la maggior presenza. Il secondo è probabilmente l'informatica, che include la creazione di strumenti che consentono migliori prestazioni di un computer quantistico", ha affermato Humble.

In un altro progetto QCUP, un team guidato dai ricercatori dell'Università di Chicago e dell'Argonne National Laboratory difetti di spin quantistici simulati, con applicazioni per la codifica delle informazioni nei computer quantistici. In questo caso, hanno usato calcoli classici per convalidare e ridurre gli errori nei loro calcoli quantistici.

Anche l'intelligenza artificiale (AI) fa la sua comparsa nell'interfaccia dell'informatica classica e quantistica. Humble ha affermato che l'obiettivo di alcuni progetti di informatica è utilizzare il calcolo quantistico per accelerare i flussi di lavoro di intelligenza artificiale e apprendimento automatico o per scoprire informazioni specifiche quantistiche nei dati generati dall'IA.

Sebbene il programma fornisca l'accesso ai computer quantistici tramite una struttura utente HPC, questi computer non sono integrati con i sistemi HPC. Uno degli obiettivi finali di QCUP è collegare i sistemi quantistici e HPC, ma ci sono barriere a breve termine.

“Parte della barriera ora è che il calcolo quantistico è così presto. Se guardi cos'è un computer quantistico oggi, tra 6 mesi sarà sostituito da qualcosa di nuovo", ha detto Humble.

Dal punto di vista tecnico, i computer quantistici richiedono ancora una manutenzione speciale e non possono ancora competere con le prestazioni dell'HPC. Dal punto di vista dell'utente, gli ostacoli alla formazione hanno per lo più relegato il calcolo quantistico agli esperti quantistici.

"Anche il materiale di formazione di cui hai bisogno per iniziare a utilizzare il calcolo quantistico è agli inizi", ha affermato Humble. "Per la stragrande maggioranza degli utenti HPC che vogliono adottare il quantum, dobbiamo creare risorse di formazione per loro."

Sebbene molte collaborazioni HPC-quantum siano ancora agli inizi, le esperienze di programmi come QCUP e progetti quantistici in altri centri HPC possono aiutare a preparare il terreno per la futura integrazione HPC-quantum.

Katie Elyce Jones è fondatrice ed editrice della pubblicazione di notizie di ricerca Pilastro Q.