Пользователи квантовых вычислений работают вместе с классическими суперкомпьютерами: интервью с Трэвисом Хамблом в лаборатории Ок-Ридж

Кэти Элис Джонс, редактор PillarQ

Поскольку сообщество высокопроизводительных вычислений (HPC) ищет решения для ускорения будущих систем за гранью закона Мура, одной из передовых технологий являются квантовые вычисления, которые ежегодно собирают миллиарды долларов глобального финансирования исследований и разработок.

Возможно, неудивительно, что центры высокопроизводительных вычислений, в том числе Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), где находится первый в мире экзафлопсный суперкомпьютер Frontier, находят способы использовать и совершенствовать квантовые системы.

Расположенный в Ок-Риджской национальной лаборатории (ORNL) в Теннесси и финансируемый Министерством энергетики США (DOE), OLCF Пользовательская программа квантовых вычислений (QCUP) предоставляет пользователям, занимающимся наукой, удаленный доступ к основным коммерческим системам квантовых вычислений. В настоящее время программа предлагает доступ к различным сверхпроводящим архитектурам от IBM Quantum Services и Rigetti Quantum Cloud Services, а также к компьютерам и эмуляторам с захваченными ионами Quantinuum. Программа также готовит доступ к системе захвата ионов IonQ.

В новой инициативе этого года, OLCF и QCUP объединяют квантовые вычисления и HPC с помощью гибридной программы распределения, которая обеспечивает двойной доступ к квантовым поставщикам QCUP и суперкомпьютерам OLCF.

«Цель QCUP — помочь нам понять, как развивается [квантовая] технология, и помочь нам спрогнозировать, когда мы захотим, чтобы эта технология стала частью следующей системы высокопроизводительных вычислений», — сказал Трэвис Хамбл, директор QCUP.

Хамбл также является директором ORNL. Центр квантовой науки, которая финансируется через другую программу Министерства энергетики — Национальные исследовательские центры квантовой информации, — но имеет пересекающиеся интересы в квантовых исследованиях и разработках. Он будет участником дискуссии «Квантовые вычисления: будущее ускорения высокопроизводительных вычислений?» в SC22 (Международная конференция по высокопроизводительным вычислениям, сетям, системам хранения и анализу) в пятницу, 18 ноября.

Хамбл сказал, что QCUP предлагает ряд систем квантовых вычислений для изучения того, что лучше всего подходит для определенных задач, и что классические вычисления являются частью этого исследования. «Мы еще не знаем лучшее оборудование и то, как приложения будут соответствовать друг другу. Квантовые вычисления как теория дают нам совершенно новую игровую площадку, на которой мы можем опробовать вычисления, чтобы информировать о научных открытиях, поэтому они меняют типы задач, которые мы можем решать. Суперкомпьютер мощный, но он также ограничен. Гибрид берет лучшее из обоих миров».

Однако он предупредил, что в настоящее время не так много приложений эффективно используют оба устройства, и цель нового квантово-классического гибридного распределения QCUP состоит в том, чтобы найти приложения, которые хорошо работают на обоих устройствах.

Пограничный суперкомпьютер

QCUP насчитывает около 250 пользователей и с 2016 года превратилась из внутренней лабораторной программы в текущую пользовательскую программу. Спонсируемая программой Advanced Scientific Computing Research (ASCR) Министерства энергетики, квантовая пользовательская программа приняла ту же пользовательскую модель высокопроизводительных вычислений, что и передовые вычислительные средства ASCR, которые анализируют научные предложения на предмет потенциального воздействия и ценности для выделения времени на вычислительные системы.

«Мы ищем осуществимость — пытаются ли они решить проблему, которая поместится даже на квантовом компьютере — и техническую готовность и применение», — сказал Хамбл.

Служба поддержки пользователей QCUP включает группу по привлечению ученых, которая помогает исследователям в переносе их кода, хотя в прошлом многие пользователи были «экспертами в области квантовых вычислений», сказал он. «Они написали программы и готовы к работе».

Многие пользователи приходят из научных программ, связанных с квантовыми исследованиями, такими как физика высоких энергий, ядерная физика и термоядерная энергия. Например, команда под руководством Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли использовала ресурсы QCUP для смоделируйте часть столкновения двух протонов, разбивая физические расчеты на те, которые лучше всего подходят для классических и квантовых вычислений, чтобы включить квантовые эффекты, которые в противном случае аппроксимировал бы классический компьютер.

«Безусловно, физика присутствует больше всего. Во-вторых, это, вероятно, информатика, которая включает в себя создание инструментов, позволяющих повысить производительность квантового компьютера», — сказал Хамбл.

В другом проекте QCUP группа исследователей под руководством Чикагского университета и Аргоннской национальной лаборатории смоделированные квантовые спиновые дефекты, с приложениями для кодирования информации в квантовых компьютерах. В этом случае они использовали классические вычисления для проверки и уменьшения ошибок в своих квантовых вычислениях.

Искусственный интеллект (ИИ) также появляется на стыке классических и квантовых вычислений. Хамбл сказал, что целью некоторых проектов в области компьютерных наук является использование квантовых вычислений для ускорения рабочих процессов ИИ и машинного обучения или раскрытие информации, специфичной для квантов, в данных, сгенерированных ИИ.

Хотя программа обеспечивает доступ к квантовым компьютерам через пользовательское средство высокопроизводительных вычислений, эти компьютеры не интегрированы с системами высокопроизводительных вычислений. Одной из конечных целей QCUP является соединение квантовых и высокопроизводительных систем, но в краткосрочной перспективе существуют барьеры.

«Часть барьера сейчас заключается в том, что квантовые вычисления появились очень рано. Если вы посмотрите, что такое квантовый компьютер сегодня, через 6 месяцев его заменит что-то новое», — сказал Хамбл.

С технической точки зрения квантовые компьютеры по-прежнему требуют специального обслуживания и пока не могут конкурировать с производительностью HPC. С точки зрения пользователя, трудности с обучением в основном отнесли квантовые вычисления к специалистам по квантовым вычислениям.

«Учебный материал, который вам нужен, чтобы начать использовать квантовые вычисления, также находится в зачаточном состоянии», — сказал Хамбл. «Для подавляющего большинства пользователей высокопроизводительных вычислений, которые хотят внедрить квантовые вычисления, мы должны создать для них обучающие ресурсы».

Хотя многие совместные проекты в области высокопроизводительных вычислений и квантовых вычислений все еще находятся на ранней стадии своего развития, опыт таких программ, как QCUP, и квантовых проектов в других центрах высокопроизводительных вычислений может помочь заложить основу для будущей интеграции высокопроизводительных квантовых вычислений.

Кэти Элис Джонс — основатель и редактор исследовательского новостного издания. Столб Q.