Utilizatorii de calculatoare cuantice lucrează alături de supercomputerele clasice: un interviu cu Travis Humble la Oak Ridge Lab

De Katie Elyce Jones, editor, PillarQ

Pe măsură ce comunitatea de calcul de înaltă performanță (HPC) caută dincolo de pragul Legii lui Moore pentru soluții de accelerare a sistemelor viitoare, o tehnologie în prim-plan este calculul cuantic, care acumulează miliarde de dolari din finanțare globală pentru cercetare și dezvoltare în fiecare an.

Poate că nu este surprinzător faptul că centrele HPC – inclusiv Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), găzduirea primului supercomputer exascale din lume, Frontier – găsesc modalități de a folosi și de a avansa sistemele cuantice.

Situat la Laboratorul Național Oak Ridge (ORNL) din Tennessee și finanțat de Departamentul de Energie al SUA (DOE), OLCF Programul utilizator Quantum Computing (QCUP) oferă utilizatorilor din științe acces de la distanță la sisteme comerciale majore de calcul cuantic. În prezent, programul oferă acces la diferite arhitecturi supraconductoare de la IBM Quantum Services și Rigetti Quantum Cloud Services, precum și la computere și emulatori cu ioni prinși Quantinuum. De asemenea, programul pregătește accesul la un sistem de ioni prinși IonQ.

Într-o nouă inițiativă anul acesta, OLCF și QCUP fac legătura între cuantică și HPC printr-un program de alocare hibrid care oferă acces dublu la furnizorii cuantici ai QCUP și la supercalculatoarele OLCF.

„Scopul QCUP este să ne ajute să înțelegem cum se dezvoltă tehnologia [cuantică] și să ne ajute să prognozăm când am dori ca această tehnologie să facă parte din următorul sistem HPC”, a spus Travis Humble, director QCUP.

Humble este și director al ORNL Centrul de Științe Cuantice, care este finanțat printr-un alt program DOE - Centrele Naționale de Cercetare în Știința Informației Cuantice - dar împărtășește interese suprapuse în cercetarea și dezvoltarea cuantice. El va fi un panelist pentru „Quantum Computing: A Future for HPC Acceleration?” la SC22 (Conferința internațională pentru calcularea de înaltă performanță, rețele, stocare și analiză) vineri, 18 noiembrie.

Humble a spus că QCUP oferă o gamă de sisteme de calcul cuantic pentru a explora ceea ce funcționează cel mai bine pentru anumite probleme și că calculul clasic este o parte a acestei explorări. „Încă nu știm care este cel mai bun hardware și cum se vor potrivi aplicațiile. Calculul cuantic, ca teorie, ne oferă un teren de joacă complet nou în care să încercăm calculul, să informăm descoperirea științifică, astfel încât să schimbe tipurile de probleme pe care le putem calcula efectiv. Un supercomputer este puternic, dar este și restricționat. Hybrid ia ce este mai bun din ambele lumi.”

Cu toate acestea, el a avertizat că nu multe aplicații folosesc în prezent ambele dispozitive, iar intenția noilor alocări hibride cuantice-clasice ale QCUP este de a găsi aplicații care să ruleze bine pe ambele.

Supercomputer de frontieră

QCUP are aproximativ 250 de utilizatori și a evoluat din 2016 de la un program intern de laborator la programul de utilizator actual. Sponsorizat de programul Advanced Scientific Computing Research (ASCR) al DOE, programul de utilizator cuantic a adoptat același model de utilizator HPC ca și facilitățile de calcul de conducere ale ASCR, care analizează propunerile științifice pentru impactul potențial și meritul pentru a aloca timp sistemelor de calcul.

„Căutăm fezabilitate – încearcă să rezolve o problemă care se va potrivi chiar și pe un computer cuantic – și pregătirea tehnică și aplicarea”, a spus Humble.

Suportul de asistență pentru utilizatori QCUP include o echipă de implicare științifică care îi asistă pe cercetători în a-și porta codul, deși în trecut mulți utilizatori au fost „utilizatori cuantici experți”, a spus el. „Au scris programe și sunt gata să meargă.”

Mulți utilizatori provin din programe științifice cu legături de cercetare cuantice, cum ar fi fizica de înaltă energie și nucleară și energia de fuziune. De exemplu, o echipă condusă de Lawrence Berkeley National Laboratory a folosit resursele QCUP pentru simulează o porțiune din doi protoni care se ciocnesc, împărțind calculele fizicii în cele mai potrivite pentru calculul clasic versus calculul cuantic pentru a include efecte cuantice pe care un computer clasic le-ar aproxima altfel.

„De departe, fizica are cea mai mare prezență. Al doilea este probabil informatica, care include instrumente de construcție care permit o performanță mai bună a unui computer cuantic”, a spus Humble.

Într-un alt proiect QCUP, o echipă condusă de cercetătorii de la Universitatea din Chicago și Argonne National Laboratory defecte de spin cuantic simulate, cu aplicații pentru codificarea informațiilor în calculatoare cuantice. În acest caz, au folosit calcule clasice pentru a valida și a reduce erorile în calculele lor cuantice.

Inteligența artificială (AI) face și ea apariția la interfața calculului clasic și cuantic. Humble a spus că obiectivul unor proiecte de informatică este de a utiliza calculul cuantic pentru a accelera fluxurile de lucru AI și de învățare automată sau pentru a descoperi informații specifice cuantice în datele generate de AI.

Deși programul oferă acces la computere cuantice printr-o facilitate de utilizator HPC, aceste computere nu sunt integrate cu sistemele HPC. Unul dintre obiectivele finale ale QCUP este conectarea sistemelor cuantice și HPC, dar există bariere pe termen scurt.

„O parte din bariera acum este că calculul cuantic este atât de devreme. Dacă te uiți la ce este un computer cuantic astăzi, în 6 luni, va fi înlocuit cu ceva nou”, a spus Humble.

Din punct de vedere tehnic, computerele cuantice necesită încă întreținere specială și nu pot concura încă cu performanța HPC. Din perspectiva utilizatorului, obstacolele de antrenament au relegat în cea mai mare parte calculul cuantic la experții cuantici.

„Materialul de instruire de care aveți nevoie pentru a începe să utilizați calculul cuantic este, de asemenea, la început”, a spus Humble. „Pentru marea majoritate a utilizatorilor HPC care doresc să adopte quantum, trebuie să creăm resurse de instruire pentru ei.”

Deși multe colaborări HPC-cuantice sunt încă la începuturile lor, experiențele din programe precum QCUP și proiectele cuantice de la alte centre HPC pot ajuta la pregătirea terenului pentru viitoarea integrare HPC-cuantică.

Katie Elyce Jones este fondatorul și editorul publicației de știri de cercetare PillarQ.