משתמשי מחשוב קוונטי עובדים לצד מחשבי-על קלאסיים: ראיון עם טרוויס האמבל במעבדת Oak Ridge

מאת קייטי אליס ג'ונס, עורכת, PillarQ

מכיוון שקהילת המחשוב בעל הביצועים הגבוהים (HPC) מסתכלת מעבר לסף חוק מור אחר פתרונות להאצת מערכות עתידיות, טכנולוגיה אחת בחזית היא המחשוב הקוונטי, שצובר מדי שנה מיליארדי דולרים של מימון מחקר ופיתוח עולמי.

אולי זה לא מפתיע שמרכזי HPC - כולל Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), ביתו של מחשב העל הראשון בעולם, Frontier - מוצאים דרכים למנף ולקדם מערכות קוונטיות.

ממוקם במעבדה הלאומית של Oak Ridge (ORNL) בטנסי וממומן על ידי משרד האנרגיה האמריקאי (DOE), ה-OLCF תוכנית משתמשי מחשוב קוונטי (QCUP) מספקת למשתמשים בתחומי המדעים גישה מרחוק למערכות מחשוב קוונטי מרכזיות ומסחריות. נכון לעכשיו, התוכנית מציעה גישה לארכיטקטורות מוליכות-על שונות מ-IBM Quantum Services ו-Rigetti Quantum Cloud Services, כמו גם מחשבים ואמולטורים מסוג Quantinuum לכוד-יונים. התוכנית גם מכינה גישה למערכת IonQ לכוד-ion.

ביוזמה חדשה השנה, OLCF ו-QCUP מגשרים בין קוונטים ו-HPC באמצעות תוכנית הקצאה היברידית המספקת גישה כפולה לספקי הקוונטים של QCUP ולמחשבי העל של OLCF.

"מטרת QCUP היא לעזור לנו להבין כיצד הטכנולוגיה [קוואנטית] מתפתחת ולעזור לנו לחזות מתי נרצה שהטכנולוגיה הזו תהיה חלק ממערכת HPC הבאה", אמר טראוויס האמבל, מנהל QCUP.

Humble הוא גם מנהל של ORNL's המרכז למדע קוונטים, אשר ממומנת באמצעות תוכנית DOE אחרת - המרכז הלאומי לחקר מידע קוונטי - אך חולקת תחומי עניין חופפים במחקר ופיתוח קוונטי. הוא יהיה חבר פאנל עבור "מחשוב קוונטי: עתיד להאצת HPC?" בְּ- SC22 (הכנס הבינלאומי למחשוב, רשתות, אחסון וניתוח ביצועים גבוהים) ביום שישי, 18 בנובמבר.

Humble אמרה ש-QCUP מציעה מגוון מערכות מחשוב קוונטי כדי לחקור מה עובד הכי טוב עבור בעיות מסוימות ושהמחשוב הקלאסי הוא חלק מהחקירה הזו. "אנחנו עדיין לא יודעים את החומרה הטובה ביותר וכיצד יישומים יתאימו. מחשוב קוונטי, כתיאוריה, נותן לנו מגרש משחקים חדש לגמרי בו ניתן לנסות חישוב, להודיע ​​על גילוי מדעי, כך שהוא משנה את סוגי הבעיות שאנו יכולים לחשב בפועל. מחשב-על הוא רב עוצמה - אבל גם הוא מוגבל. היבריד לוקח את הטוב משני העולמות".

עם זאת, הוא הזהיר שלא הרבה יישומים עושים שימוש טוב בשני המכשירים, והכוונה של ההקצאות ההיברידיות הקוונטיות-קלאסיות החדשות של QCUP היא למצוא יישומים שפועלים היטב בשניהם.

מחשב-על של Frontier

ל-QCUP יש כ-250 משתמשים והיא התפתחה מאז 2016 מתוכנית מעבדה פנימית לתוכנית המשתמשים הנוכחית. בחסות התוכנית Advanced Scientific Computing Research (ASCR) של DOE, תוכנית המשתמשים הקוונטיים אימצה את אותו מודל משתמש HPC כמו מתקני המחשוב המובילים של ASCR, הבודקים הצעות מדעיות להשפעה פוטנציאלית וכדאיות להקצאת זמן במערכות מחשוב.

"אנחנו מחפשים היתכנות - האם הם מנסים לפתור בעיה שתתאים אפילו למחשב קוונטי - ומוכנות טכנית ויישום", אמר האמבל.

התמיכה בסיוע למשתמשים של QCUP כוללת צוות Science Engagement המסייע לחוקרים בהעברת הקוד שלהם, למרות שבעבר משתמשים רבים היו "משתמשים קוונטיים מומחים", אמר. "הם כתבו תוכניות ומוכנים לצאת לדרך."

משתמשים רבים מגיעים מתכניות מדעיות עם קשרי מחקר לקוונטים, כגון אנרגיה גבוהה ופיזיקה גרעינית ואנרגיית היתוך. לדוגמה, צוות בראשות לורנס ברקלי המעבדה הלאומית השתמש במשאבי QCUP כדי לדמות חלק של שני פרוטונים מתנגשים, חלוקת חישובי פיזיקה לאלו המתאימים ביותר למחשוב קלאסי לעומת מחשוב קוונטי על מנת לכלול אפקטים קוונטיים שאחרת מחשב קלאסי היה מעריך.

"ללא ספק, לפיזיקה יש הכי הרבה נוכחות. השני הוא כנראה מדעי המחשב, הכולל בניית כלים המאפשרים ביצועים טובים יותר של מחשב קוונטי", אמר האמבל.

בפרויקט אחר של QCUP, צוות בראשות אוניברסיטת שיקגו וחוקרים מהמעבדה הלאומית של Argonne סימולציה של פגמי ספין קוונטיים, עם יישומים לקידוד מידע במחשבים קוונטיים. במקרה זה, הם השתמשו בחישובים קלאסיים כדי לאמת ולהפחית שגיאות בחישובים הקוונטיים שלהם.

בינה מלאכותית (AI) מופיעה גם בממשק של מחשוב קלאסי וקוונטי. האמבל אמר שהמטרה של כמה פרויקטים במדעי המחשב היא להשתמש במחשוב קוונטי כדי להאיץ זרימות עבודה של בינה מלאכותית ולמידת מכונה או כדי לחשוף מידע ספציפי קוונטי בנתונים שנוצרו בבינה מלאכותית.

למרות שהתוכנית מספקת גישה למחשבים קוונטיים דרך מתקן משתמש של HPC, מחשבים אלה אינם משולבים במערכות HPC. אחת המטרות הסופיות של QCUP היא חיבור מערכות קוונטיות ו-HPC, אך ישנם חסמים בטווח הקרוב.

"חלק מהמחסום כעת הוא שהמחשוב הקוונטי הוא כל כך מוקדם. אם תסתכל על מה זה מחשב קוונטי היום, בעוד 6 חודשים, הוא יוחלף במשהו חדש", אמר האמבל.

מנקודת מבט טכנית, מחשבים קוונטיים עדיין דורשים תחזוקה מיוחדת ועדיין אינם יכולים להתחרות בביצועים של HPC. מנקודת מבט של משתמש, מכשולי אימון דחקו בעיקר את המחשוב הקוונטי למומחים הקוונטי.

"חומר ההדרכה שאתה צריך כדי להתחיל להשתמש במחשוב קוונטי נמצא גם בחיתוליו", אמר האמבל. "עבור הרוב המכריע של משתמשי HPC שרוצים לאמץ קוונטים, עלינו ליצור משאבי הדרכה עבורם."

למרות ששיתופי פעולה רבים של HPC-קוונטי נמצאים עדיין בראשית ימיהם, התנסויות מתוכניות כמו QCUP ופרויקטים קוונטיים במרכזי HPC אחרים עשויים לסייע בהכנת הבמה לאינטגרציה עתידית של HPC-קוונטי.

קייטי אליס ג'ונס היא מייסדת ועורכת של פרסום חדשות המחקר PillarQ.