Usuários de computação quântica trabalham ao lado de supercomputadores clássicos: uma entrevista com Travis Humble no Oak Ridge Lab

Por Katie Elyce Jones, editora, PillarQ

À medida que a comunidade de computação de alto desempenho (HPC) olha além da Lei de Moore em busca de soluções para acelerar sistemas futuros, uma tecnologia na vanguarda é a computação quântica, que está acumulando bilhões de dólares em financiamento global de P&D a cada ano.

Talvez não seja nenhuma surpresa que os centros de HPC - incluindo o Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), lar do primeiro supercomputador exascale do mundo, Frontier - estejam encontrando maneiras de alavancar e avançar os sistemas quânticos.

Localizado no Oak Ridge National Laboratory (ORNL) no Tennessee e financiado pelo Departamento de Energia dos EUA (DOE), o OLCF's Programa de Usuário de Computação Quântica (QCUP) fornece aos usuários das ciências acesso remoto aos principais sistemas comerciais de computação quântica. Atualmente, o programa oferece acesso a diferentes arquiteturas supercondutoras da IBM Quantum Services e Rigetti Quantum Cloud Services, bem como computadores e emuladores de íons presos Quantinuum. O programa também está preparando o acesso a um sistema de íons aprisionados IonQ.

Numa nova iniciativa este ano, a OLCF e a QCUP estão unindo quantum e HPC por meio de um programa de alocação híbrido que fornece acesso duplo aos fornecedores de quantum da QCUP e aos supercomputadores da OLCF.

“O objetivo do QCUP é nos ajudar a entender como a tecnologia [quântica] está se desenvolvendo e nos ajudar a prever quando queremos que essa tecnologia faça parte do próximo sistema HPC”, disse Travis Humble, diretor do QCUP.

Humble também é diretor do ORNL's Centro de Ciências Quânticas, que é financiado por um programa DOE diferente - os Centros Nacionais de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica - mas compartilha interesses sobrepostos em pesquisa e desenvolvimento quântico. Ele será um dos palestrantes de “Quantum Computing: A Future for HPC Acceleration?” no SC22 (The International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage, and Analysis) na sexta-feira, 18 de novembro.

Humble disse que o QCUP oferece uma variedade de sistemas de computação quântica para explorar o que funciona melhor para determinados problemas e que a computação clássica faz parte dessa exploração. “Ainda não sabemos qual é o melhor hardware e como os aplicativos serão compatíveis. A computação quântica, como teoria, nos oferece um playground totalmente novo para experimentar a computação, para informar a descoberta científica, de modo que muda os tipos de problemas que podemos realmente calcular. Um supercomputador é poderoso, mas também é restrito. O híbrido leva o melhor dos dois mundos.”

No entanto, ele alertou que poucos aplicativos atualmente fazem bom uso de ambos os dispositivos, e a intenção das novas alocações híbridas quântico-clássicas do QCUP é encontrar aplicativos que funcionem bem em ambos.

supercomputador de fronteira

O QCUP tem cerca de 250 usuários e evoluiu desde 2016 de um programa de laboratório interno para o atual programa de usuário. Patrocinado pelo programa Advanced Scientific Computing Research (ASCR) do DOE, o programa de usuário quântico adotou o mesmo modelo de usuário HPC que as instalações de computação líderes do ASCR, que revisam as propostas científicas quanto ao potencial impacto e mérito para alocar tempo em sistemas de computação.

“Procuramos viabilidade – eles estão tentando resolver um problema que cabe até em um computador quântico – e prontidão técnica e aplicação”, disse Humble.

O suporte de assistência ao usuário do QCUP inclui uma equipe de engajamento científico que auxilia os pesquisadores na portabilidade de seu código, embora no passado muitos usuários tenham sido “usuários quânticos especialistas”, disse ele. “Eles escreveram programas e estão prontos para começar.”

Muitos usuários vêm de programas científicos com vínculos de pesquisa com o quantum, como física nuclear e de alta energia e energia de fusão. Por exemplo, uma equipe liderada pelo Lawrence Berkeley National Laboratory utilizou os recursos do QCUP para simular uma porção de dois prótons colidindo, dividindo os cálculos de física naqueles mais adequados para computação clássica versus computação quântica, a fim de incluir efeitos quânticos que um computador clássico poderia aproximar.

“De longe, a física tem mais presença. O segundo é provavelmente a ciência da computação, que inclui a construção de ferramentas que permitem um melhor desempenho de um computador quântico”, disse Humble.

Em outro projeto do QCUP, uma equipe liderada por pesquisadores da Universidade de Chicago e do Argonne National Laboratory defeitos de spin quântico simulados, com aplicativos para codificação de informações em computadores quânticos. Nesse caso, eles usaram cálculos clássicos para validar e reduzir erros em seus cálculos quânticos.

A inteligência artificial (IA) também aparece na interface da computação clássica e quântica. Humble disse que o objetivo de alguns projetos de ciência da computação é utilizar a computação quântica para acelerar fluxos de trabalho de IA e aprendizado de máquina ou descobrir informações específicas do quantum em dados gerados por IA.

Embora o programa forneça acesso a computadores quânticos por meio de uma instalação de usuário HPC, esses computadores não são integrados aos sistemas HPC. Um dos objetivos finais do QCUP é conectar sistemas quânticos e HPC, mas existem barreiras de curto prazo.

“Parte da barreira agora é que a computação quântica é tão precoce. Se você observar o que é um computador quântico hoje, em 6 meses ele será substituído por algo novo”, disse Humble.

Do ponto de vista técnico, os computadores quânticos ainda requerem manutenção especial e ainda não podem competir com o desempenho do HPC. Do ponto de vista do usuário, os obstáculos de treinamento relegaram a computação quântica principalmente aos especialistas quânticos.

“O material de treinamento necessário para começar a usar a computação quântica também está engatinhando”, disse Humble. “Para a grande maioria dos usuários de HPC que desejam adotar o quantum, temos que criar recursos de treinamento para eles.”

Embora muitas colaborações HPC-quânticas ainda estejam em seus primeiros dias, experiências de programas como QCUP e projetos quânticos em outros centros de HPC podem ajudar a preparar o terreno para a futura integração HPC-quântica.

Katie Elyce Jones é fundadora e editora da publicação de notícias de pesquisa PilarQ.