Quantum Computing-gebruikers werken samen met klassieke supercomputers: een interview met Travis Humble in Oak Ridge Lab

Door Katie Elyce Jones, redacteur, PillarQ

Terwijl de high-performance computing (HPC)-gemeenschap verder kijkt dan de rand van de wet van Moore voor oplossingen om toekomstige systemen te versnellen, is kwantumcomputing een technologie die voorop loopt, waarmee jaarlijks miljarden dollars aan wereldwijde R&D-financiering worden verzameld.

Misschien is het geen verrassing dat HPC-centra - waaronder de Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), de thuisbasis van 's werelds eerste exascale supercomputer, Frontier - manieren vinden om kwantumsystemen te benutten en vooruit te helpen.

Gelegen in het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in Tennessee en gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE), de OLCF's Quantum Computing gebruikersprogramma (QCUP) biedt gebruikers in de wetenschap op afstand toegang tot grote, commerciële kwantumcomputersystemen. Momenteel biedt het programma toegang tot verschillende supergeleidende architecturen van IBM Quantum Services en Rigetti Quantum Cloud Services, evenals Quantinuum trap-ion computers en emulators. Het programma bereidt ook de toegang tot een IonQ-systeem met ingesloten ionen voor.

In een nieuw initiatief dit jaar, OLCF en QCUP overbruggen kwantum en HPC via een hybride toewijzingsprogramma dat dubbele toegang biedt tot QCUP's kwantumleveranciers en OLCF's supercomputers.

"Het doel van QCUP is om ons te helpen begrijpen hoe de [kwantum]technologie zich ontwikkelt en om ons te helpen voorspellen wanneer we die technologie deel willen laten uitmaken van het volgende HPC-systeem", aldus Travis Humble, directeur van QCUP.

Humble is ook directeur van ORNL's Quantum Wetenschappelijk Centrum, dat wordt gefinancierd via een ander DOE-programma - de National Quantum Information Science Research Centres - maar deelt overlappende belangen in kwantumonderzoek en -ontwikkeling. Hij zal panellid zijn voor "Quantum Computing: A Future for HPC Acceleration?" Bij SC22 (De internationale conferentie voor high-performance computing, netwerken, opslag en analyse) op vrijdag 18 november.

Humble zei dat QCUP een reeks kwantumcomputersystemen biedt om te onderzoeken wat het beste werkt voor bepaalde problemen en dat klassiek computergebruik deel uitmaakt van deze verkenning. “We weten nog niet wat de beste hardware is en hoe applicaties zullen matchen. Kwantumcomputing, als theorie, geeft ons een geheel nieuwe speelplaats om berekeningen uit te proberen, om wetenschappelijke ontdekkingen te onderbouwen, dus het verandert de soorten problemen die we daadwerkelijk kunnen berekenen. Een supercomputer is krachtig, maar ook beperkt. Hybrid combineert het beste van twee werelden.”

Hij waarschuwde echter dat niet veel toepassingen momenteel goed gebruik maken van beide apparaten, en de bedoeling van QCUP's nieuwe kwantum-klassieke hybride toewijzingen is om toepassingen te vinden die goed werken op beide.

Frontier-supercomputer

QCUP heeft ongeveer 250 gebruikers en is sinds 2016 geëvolueerd van een intern laboratoriumprogramma naar het huidige gebruikersprogramma. Gesponsord door DOE's Advanced Scientific Computing Research (ASCR) -programma, heeft het kwantumgebruikersprogramma hetzelfde HPC-gebruikersmodel overgenomen als de leidende computerfaciliteiten van ASCR, die wetenschappelijke voorstellen beoordelen op mogelijke impact en verdienste om tijd aan computersystemen toe te wijzen.

"We zoeken naar haalbaarheid - proberen ze een probleem op te lossen dat zelfs op een kwantumcomputer past - en technische paraatheid en toepassing," zei Humble.

QCUP-ondersteuning voor gebruikersondersteuning omvat een Science Engagement Team dat onderzoekers helpt bij het porteren van hun code, hoewel in het verleden veel gebruikers "expert kwantumgebruikers" waren, zei hij. "Ze hebben programma's geschreven en zijn klaar om te gaan."

Veel gebruikers komen uit wetenschappelijke programma's met onderzoeksbanden met kwantum, zoals hoge-energie- en kernfysica en fusie-energie. Een team onder leiding van Lawrence Berkeley National Laboratory gebruikte bijvoorbeeld QCUP-bronnen om simuleer een deel van twee protonen die botsen, natuurkundige berekeningen opsplitsen in berekeningen die het meest geschikt zijn voor klassieke versus kwantumcomputing om kwantumeffecten op te nemen die een klassieke computer anders zou benaderen.

“Natuurkunde is veruit het meest aanwezig. Ten tweede is waarschijnlijk computerwetenschap, waaronder het bouwen van tools die betere prestaties van een kwantumcomputer mogelijk maken, "zei Humble.

In een ander QCUP-project, een team onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Chicago en het Argonne National Laboratory gesimuleerde kwantumspindefecten, met toepassingen voor het coderen van informatie in kwantumcomputers. In dit geval gebruikten ze klassieke berekeningen om fouten in hun kwantumberekeningen te valideren en te verminderen.

Kunstmatige intelligentie (AI) doet ook zijn intrede op het snijvlak van klassiek en quantum computing. Humble zei dat het doel van sommige informaticaprojecten is om kwantumcomputing te gebruiken om AI- en machine learning-workflows te versnellen of om kwantumspecifieke informatie in door AI gegenereerde gegevens te ontdekken.

Hoewel het programma toegang geeft tot quantumcomputers via een HPC-gebruikersfaciliteit, zijn deze computers niet geïntegreerd met HPC-systemen. Een van de uiteindelijke doelen van QCUP is het verbinden van kwantum- en HPC-systemen, maar er zijn barrières op korte termijn.

“Een deel van de barrière is nu dat kwantumcomputing zo vroeg is. Als je kijkt naar wat een kwantumcomputer vandaag de dag is, zal hij over zes maanden worden vervangen door iets nieuws', zei Humble.

Quantumcomputers hebben technisch gezien nog bijzonder onderhoud nodig en kunnen nog niet concurreren met de prestaties van HPC. Vanuit het perspectief van de gebruiker hebben de trainingshindernissen kwantumcomputing grotendeels verbannen naar de kwantumexperts.

"Het trainingsmateriaal dat je nodig hebt om quantum computing te gaan gebruiken, staat ook in de kinderschoenen", zei Humble. "Voor de overgrote meerderheid van HPC-gebruikers die quantum willen gebruiken, moeten we trainingsbronnen voor hen creëren."

Hoewel veel HPC-kwantumsamenwerkingen nog in de kinderschoenen staan, kunnen ervaringen met programma's zoals QCUP en kwantumprojecten in andere HPC-centra de weg vrijmaken voor toekomstige HPC-kwantumintegratie.

Katie Elyce Jones is oprichter en redacteur van onderzoeksnieuwspublicatie PijlerQ.