Quantum Computing-brukere jobber sammen med klassiske superdatamaskiner: et intervju med Travis Humble ved Oak Ridge Lab

Av Katie Elyce Jones, redaktør, PillarQ

Ettersom høyytelsesdatabehandlingsfellesskapet (HPC) ser utover randen av Moores lov for løsninger for å akselerere fremtidige systemer, er en teknologi i forkant kvantedatabehandling, som samler opp milliarder av dollar i global FoU-finansiering hvert år.

Kanskje er det ingen overraskelse at HPC-sentre – inkludert Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), hjemmet til verdens første exascale superdatamaskin, Frontier – finner måter å utnytte og fremme kvantesystemer.

Ligger ved Oak Ridge National Laboratory (ORNL) i Tennessee og finansiert av US Department of Energy (DOE), OLCFs Quantum Computing brukerprogram (QCUP) gir brukere innen vitenskapen ekstern tilgang til store, kommersielle kvantedatabehandlingssystemer. For øyeblikket tilbyr programmet tilgang til forskjellige superledende arkitekturer fra IBM Quantum Services og Rigetti Quantum Cloud Services, samt Quantinuum fangede-ion-datamaskiner og emulatorer. Programmet forbereder også tilgang til et IonQ-fanget-ion-system.

I et nytt initiativ i år, OLCF og QCUP bygger bro mellom kvante og HPC gjennom et hybrid tildelingsprogram som gir dobbel tilgang til QCUPs kvanteleverandører og OLCFs superdatamaskiner.

"Hensikten med QCUP er å hjelpe oss å forstå hvordan [kvante]-teknologien utvikler seg og hjelpe oss med å forutsi når vi ønsker at teknologien skal være en del av det neste HPC-systemet," sa Travis Humble, QCUP-direktør.

Humble er også direktør for ORNL's Quantum Science Center, som er finansiert gjennom et annet DOE-program – National Quantum Information Science Research Centers – men deler overlappende interesser innen kvanteforskning og -utvikling. Han vil være paneldeltaker for "Quantum Computing: A Future for HPC Acceleration?" på SC22 (The International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage, and Analysis) fredag ​​18. november.

Humble sa at QCUP tilbyr en rekke kvantedatabehandlingssystemer for å utforske hva som fungerer best for visse problemer, og at klassisk databehandling er en del av denne utforskningen. "Vi vet ennå ikke den beste maskinvaren og hvordan applikasjonene vil matche. Kvantedatabehandling, som en teori, gir oss en helt ny lekeplass for å prøve ut beregninger, for å informere vitenskapelig oppdagelse, så det endrer typen problemer vi faktisk kan beregne. En superdatamaskin er kraftig – men den er også begrenset. Hybrid tar det beste fra begge verdener."

Han advarte imidlertid om at ikke mange applikasjoner for tiden gjør god bruk av begge enhetene, og intensjonen med QCUPs nye kvanteklassiske hybridallokeringer er å finne applikasjoner som kjører godt på begge.

Frontier superdatamaskin

QCUP har rundt 250 brukere og har utviklet seg siden 2016 fra et internt laboratorieprogram til det nåværende brukerprogrammet. Sponset av DOEs Advanced Scientific Computing Research (ASCR)-program, tok kvantebrukerprogrammet i bruk den samme HPC-brukermodellen som ASCRs ledelsesdatabehandlingsfasiliteter, som gjennomgår vitenskapelige forslag for potensiell innvirkning og fordel for å tildele tid på datasystemer.

"Vi ser etter gjennomførbarhet - prøver de å løse et problem som til og med passer på en kvantedatamaskin - og teknisk beredskap og applikasjon," sa Humble.

QCUP brukerstøtte inkluderer et Science Engagement Team som hjelper forskere med å portere koden deres, selv om mange brukere tidligere har vært "ekspertkvantebrukere," sa han. "De har skrevet programmer og er klare til å gå."

Mange brukere kommer fra vitenskapelige programmer med forskningstilknytning til kvante, som høyenergi- og kjernefysikk og fusjonsenergi. For eksempel brukte et team ledet av Lawrence Berkeley National Laboratory QCUP-ressurser til simulere en del av to protoner som kolliderer, bryter fysikkberegninger til de som er best egnet for klassisk versus kvanteberegning for å inkludere kvanteeffekter som en klassisk datamaskin ellers ville tilnærmet.

«Fysikk har langt mest tilstedeværelse. For det andre er sannsynligvis informatikk, som inkluderer å bygge verktøy som muliggjør bedre ytelse av en kvantedatamaskin, sa Humble.

I et annet QCUP-prosjekt, et team ledet av forskere fra University of Chicago og Argonne National Laboratory simulerte kvantespinndefekter, med applikasjoner for koding av informasjon i kvantedatamaskiner. I dette tilfellet brukte de klassiske beregninger for å validere og redusere feil i kvanteberegningene.

Kunstig intelligens (AI) dukker også opp i grensesnittet mellom klassisk og kvantedatabehandling. Humble sa at målet med noen informatikkprosjekter er å bruke kvantedatabehandling for å akselerere AI og maskinlæringsarbeidsflyter eller for å avdekke kvantespesifikk informasjon i AI-genererte data.

Selv om programmet gir tilgang til kvantedatamaskiner gjennom en HPC-brukerfasilitet, er disse datamaskinene ikke integrert med HPC-systemer. Et av de endelige målene for QCUP er å koble sammen kvante- og HPC-systemer, men det er kortsiktige barrierer.

"En del av barrieren nå er at kvanteberegning er så tidlig. Hvis du ser på hva en kvantedatamaskin er i dag, om 6 måneder, vil den bli erstattet av noe nytt," sa Humble.

Fra et teknisk perspektiv krever kvantedatamaskiner fortsatt spesielt vedlikehold og kan ennå ikke konkurrere med ytelsen til HPC. Fra et brukerperspektiv har treningshinder stort sett henvist kvantedatabehandling til kvanteekspertene.

"Opplæringsmaterialet du trenger for å begynne å bruke kvantedatabehandling er også i sin spede begynnelse," sa Humble. "For det store flertallet av HPC-brukere som ønsker å ta i bruk quantum, må vi lage opplæringsressurser for dem."

Selv om mange HPC-kvantesamarbeid fortsatt er i sine tidlige dager, kan erfaringer fra programmer som QCUP og kvanteprosjekter ved andre HPC-sentre bidra til å sette scenen for fremtidig HPC-kvanteintegrering.

Katie Elyce Jones er grunnlegger og redaktør av forskningsnyhetspublikasjon PillarQ.