Użytkownicy komputerów kwantowych pracują obok klasycznych superkomputerów: wywiad z Travisem Humble'em w Oak Ridge Lab

Katie Elyce Jones, redaktor PillarQ

Ponieważ społeczność wysokowydajnych komputerów (HPC) wykracza poza granice prawa Moore'a w poszukiwaniu rozwiązań przyspieszających przyszłe systemy, jedną z technologii na czele są obliczenia kwantowe, które każdego roku gromadzą miliardy dolarów globalnych funduszy na badania i rozwój.

Być może nie jest niespodzianką, że centra HPC — w tym Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), siedziba pierwszego na świecie eksaskalowego superkomputera Frontier — znajdują sposoby na wykorzystanie i rozwój systemów kwantowych.

Zlokalizowany w Oak Ridge National Laboratory (ORNL) w Tennessee i finansowany przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych (DOE), OLCF’s Program użytkownika obliczeń kwantowych (QCUP) zapewnia naukowcom zdalny dostęp do głównych, komercyjnych systemów obliczeń kwantowych. Obecnie program oferuje dostęp do różnych nadprzewodzących architektur IBM Quantum Services i Rigetti Quantum Cloud Services, a także komputerów i emulatorów Quantinuum uwięzionych w jonach. W ramach programu przygotowuje się również dostęp do systemu uwięzionych jonów IonQ.

W nowej inicjatywie w tym roku, OLCF i QCUP łączą rozwiązania kwantowe i HPC poprzez hybrydowy program alokacji, który zapewnia podwójny dostęp do dostawców kwantowych QCUP i superkomputerów OLCF.

„Celem QCUP jest pomóc nam zrozumieć, w jaki sposób rozwija się technologia [kwantowa] i pomóc nam przewidzieć, kiedy chcielibyśmy, aby ta technologia była częścią następnego systemu HPC” — powiedział Travis Humble, dyrektor QCUP.

Humble jest także dyrektorem ORNL Centrum Nauki Kwantowej, który jest finansowany z innego programu DOE — National Quantum Information Science Research Centers — ale ma zbieżne interesy w zakresie badań i rozwoju kwantowego. Będzie panelistą w „Quantum Computing: A Future for HPC Acceleration?” w SC22 (Międzynarodowa konferencja na temat obliczeń o dużej wydajności, sieci, pamięci masowej i analizy) w piątek, 18 listopada.

Humble powiedział, że QCUP oferuje szereg systemów obliczeń kwantowych, aby zbadać, co działa najlepiej w przypadku określonych problemów, i że klasyczne obliczenia są częścią tej eksploracji. „Nie znamy jeszcze najlepszego sprzętu i sposobu dopasowania aplikacji. Obliczenia kwantowe, jako teoria, dają nam zupełnie nowy plac zabaw, na którym możemy wypróbować obliczenia, wesprzeć odkrycia naukowe, więc zmienia rodzaje problemów, które możemy faktycznie obliczyć. Superkomputer jest potężny, ale ma też swoje ograniczenia. Hybryda łączy w sobie to, co najlepsze z obu światów”.

Ostrzegł jednak, że obecnie niewiele aplikacji dobrze wykorzystuje oba urządzenia, a intencją nowych kwantowo-klasycznych hybrydowych alokacji QCUP jest znalezienie aplikacji, które działają dobrze na obu urządzeniach.

Superkomputer na granicy

QCUP ma około 250 użytkowników i od 2016 roku ewoluował od wewnętrznego programu laboratoryjnego do obecnego programu użytkownika. Sponsorowany przez program Advanced Scientific Computing Research (ASCR) DOE, kwantowy program użytkownika przyjął ten sam model użytkownika HPC, co wiodące urządzenia obliczeniowe ASCR, które przeglądają propozycje naukowe pod kątem potencjalnego wpływu i wartości przydzielania czasu na systemy komputerowe.

„Szukamy wykonalności – czy próbują rozwiązać problem, który zmieściłby się nawet na komputerze kwantowym – oraz gotowości technicznej i zastosowania”, powiedział Humble.

Wsparcie użytkowników QCUP obejmuje Zespół ds. Zaangażowania Naukowego, który pomaga naukowcom w przenoszeniu ich kodu, chociaż w przeszłości wielu użytkowników było „ekspertami w zakresie kwantowych użytkowników”, powiedział. „Napisali programy i są gotowi do pracy”.

Wielu użytkowników pochodzi z programów naukowych związanych z badaniami kwantowymi, takimi jak fizyka wysokich energii i fizyka jądrowa oraz energia termojądrowa. Na przykład zespół kierowany przez Lawrence Berkeley National Laboratory wykorzystał zasoby QCUP do symulować zderzenie części dwóch protonów, dzieląc obliczenia fizyki na te, które najlepiej nadają się do obliczeń klasycznych i kwantowych, aby uwzględnić efekty kwantowe, które w przeciwnym razie byłyby przybliżane przez klasyczny komputer.

„Zdecydowanie najbardziej obecna jest fizyka. Drugi to prawdopodobnie informatyka, która obejmuje budowanie narzędzi umożliwiających lepszą wydajność komputera kwantowego” – powiedział Humble.

W innym projekcie QCUP zespół kierowany przez naukowców z University of Chicago i Argonne National Laboratory symulowane kwantowe defekty spinowe, z aplikacjami do kodowania informacji w komputerach kwantowych. W tym przypadku wykorzystali klasyczne obliczenia, aby zweryfikować i zredukować błędy w swoich obliczeniach kwantowych.

Sztuczna inteligencja (AI) pojawia się również na styku komputerów klasycznych i kwantowych. Humble powiedział, że celem niektórych projektów informatycznych jest wykorzystanie obliczeń kwantowych do przyspieszenia przepływów pracy AI i uczenia maszynowego lub do odkrycia informacji specyficznych dla kwantowych w danych generowanych przez AI.

Chociaż program zapewnia dostęp do komputerów kwantowych za pośrednictwem narzędzia użytkownika HPC, komputery te nie są zintegrowane z systemami HPC. Jednym z ostatecznych celów QCUP jest połączenie systemów kwantowych i HPC, ale istnieją bariery krótkoterminowe.

„Częścią bariery jest teraz to, że komputery kwantowe są tak wcześnie. Jeśli spojrzysz na to, czym jest dziś komputer kwantowy, za 6 miesięcy zostanie zastąpiony czymś nowym” – powiedział Humble.

Z technicznego punktu widzenia komputery kwantowe nadal wymagają specjalnej konserwacji i nie mogą jeszcze konkurować z wydajnością HPC. Z perspektywy użytkownika przeszkody w szkoleniu spowodowały, że obliczenia kwantowe zostały zdegradowane do kompetencji ekspertów kwantowych.

„Materiały szkoleniowe, których potrzebujesz, aby zacząć korzystać z obliczeń kwantowych, są również w powijakach” – powiedział Humble. „Dla zdecydowanej większości użytkowników HPC, którzy chcą przyjąć technologię kwantową, musimy stworzyć dla nich zasoby szkoleniowe”.

Chociaż wiele współpracy HPC-kwantowych jest wciąż na wczesnym etapie, doświadczenia z programów takich jak QCUP i projektów kwantowych w innych ośrodkach HPC mogą pomóc przygotować grunt pod przyszłą integrację HPC-kwantową.

Katie Elyce Jones jest założycielką i redaktorką publikacji z wiadomościami badawczymi FilarQ.