Uporabniki kvantnega računalništva delajo skupaj s klasičnimi superračunalniki: Intervju s Travisom Humbleom v laboratoriju Oak Ridge

Avtor: Katie Elyce Jones, urednica, PillarQ

Medtem ko skupnost visokozmogljivega računalništva (HPC) išče rešitve za pospešitev prihodnjih sistemov prek roba Moorovega zakona, je ena od tehnologij v ospredju kvantno računalništvo, ki vsako leto nabere milijarde dolarjev globalnih sredstev za raziskave in razvoj.

Morda ni presenetljivo, da centri HPC – vključno z Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), domom prvega svetovnega superračunalnika v velikosti eksa, Frontier – iščejo načine za izkoriščanje in napredek kvantnih sistemov.

Nahaja se v nacionalnem laboratoriju Oak Ridge (ORNL) v Tennesseeju in ga financira ameriško ministrstvo za energijo (DOE), OLCF-jev Uporabniški program za kvantno računalništvo (QCUP) uporabnikom v znanosti omogoča oddaljen dostop do večjih komercialnih kvantnih računalniških sistemov. Trenutno program ponuja dostop do različnih superprevodnih arhitektur IBM Quantum Services in Rigetti Quantum Cloud Services ter računalnikov in emulatorjev z ujetimi ioni Quantinuum. Program pripravlja tudi dostop do sistema z ujetimi ioni IonQ.

Letos v novo pobudo, OLCF in QCUP povezujeta kvant in HPC s hibridnim programom dodeljevanja, ki omogoča dvojni dostop do kvantnih prodajalcev QCUP in superračunalnikov OLCF.

»Namen QCUP-a je, da nam pomaga razumeti, kako se [kvantna] tehnologija razvija, in nam pomaga napovedati, kdaj želimo, da bo ta tehnologija del naslednjega sistema HPC,« je dejal Travis Humble, direktor QCUP-a.

Humble je tudi direktor ORNL's Kvantni znanstveni center, ki je financiran prek drugega programa DOE – Nacionalnih raziskovalnih centrov za kvantno informacijsko znanost – vendar si deli prekrivajoče se interese na področju kvantnih raziskav in razvoja. Bil bo panelist za "Kvantno računalništvo: Prihodnost pospeševanja HPC?" pri SC22 (Mednarodna konferenca za visoko zmogljivo računalništvo, mreženje, shranjevanje in analizo) v petek, 18. novembra.

Humble je dejal, da QCUP ponuja vrsto kvantnih računalniških sistemov za raziskovanje, kaj najbolje deluje pri določenih težavah, in da je klasično računalništvo del tega raziskovanja. »Ne poznamo še najboljše strojne opreme in kako se bodo aplikacije ujemale. Kvantno računalništvo kot teorija nam daje popolnoma novo igrišče, na katerem lahko preizkusimo računanje, da informiramo o znanstvenih odkritjih, tako da spremeni vrste problemov, ki jih lahko dejansko izračunamo. Superračunalnik je zmogljiv, vendar je tudi omejen. Hibrid vzame najboljše iz obeh svetov.”

Vendar je opozoril, da trenutno ni veliko aplikacij, ki dobro izkoriščajo obe napravi, in da je namen novih kvantno-klasičnih hibridnih dodelitev QCUP najti aplikacije, ki dobro delujejo na obeh.

Mejni superračunalnik

QCUP ima približno 250 uporabnikov in se je od leta 2016 razvil iz internega laboratorijskega programa v trenutni uporabniški program. Kvantni uporabniški program, ki ga sponzorira program za napredne znanstvene raziskave računalništva DOE (ASCR), je sprejel isti uporabniški model HPC kot vodilne računalniške zmogljivosti ASCR, ki pregledujejo znanstvene predloge za potencialni vpliv in zasluge za dodelitev časa računalniškim sistemom.

"Iščemo izvedljivost - ali poskušajo rešiti problem, ki bi se celo prilegal kvantnemu računalniku - ter tehnično pripravljenost in uporabo," je dejal Humble.

Podpora za pomoč uporabnikom QCUP vključuje skupino Science Engagement Team, ki pomaga raziskovalcem pri prenosu njihove kode, čeprav so bili v preteklosti številni uporabniki »strokovni kvantni uporabniki«, je dejal. "Napisali so programe in so pripravljeni na delo."

Številni uporabniki prihajajo iz znanstvenih programov, ki so raziskovalno povezani s kvantom, kot so visokoenergetska in jedrska fizika ter fuzijska energija. Na primer, ekipa pod vodstvom nacionalnega laboratorija Lawrence Berkeley je uporabila vire QCUP za simulirajte del trka dveh protonov, ki deli fizikalne izračune na tiste, ki so najbolj primerni za klasično računalništvo v primerjavi s kvantnim, da bi vključili kvantne učinke, ki bi jih klasičen računalnik sicer približal.

»Daleč največ je prisotna fizika. Drugo je verjetno računalništvo, ki vključuje gradbena orodja, ki omogočajo boljše delovanje kvantnega računalnika,« je dejal Humble.

V drugem projektu QCUP je skupina, ki jo vodijo raziskovalci Univerze v Chicagu in nacionalnega laboratorija Argonne simulirani kvantni spinski defekti, z aplikacijami za kodiranje informacij v kvantnih računalnikih. V tem primeru so uporabili klasične izračune za potrditev in zmanjšanje napak v svojih kvantnih izračunih.

Umetna inteligenca (AI) se pojavlja tudi na vmesniku klasičnega in kvantnega računalništva. Humble je dejal, da je cilj nekaterih računalniških projektov uporaba kvantnega računalništva za pospešitev delovnih tokov umetne inteligence in strojnega učenja ali odkrivanje kvantno specifičnih informacij v podatkih, ustvarjenih z umetno inteligenco.

Čeprav program omogoča dostop do kvantnih računalnikov prek uporabniške zmogljivosti HPC, ti računalniki niso integrirani s sistemi HPC. Eden od končnih ciljev QCUP je povezovanje kvantnih sistemov in sistemov HPC, vendar obstajajo kratkoročne ovire.

»Del ovire zdaj je, da je kvantno računalništvo tako zgodaj. Če pogledate, kaj je kvantni računalnik danes, ga bo čez 6 mesecev nadomestilo nekaj novega,« je dejal Humble.

S tehničnega vidika kvantni računalniki še vedno potrebujejo posebno vzdrževanje in še ne morejo tekmovati z zmogljivostjo HPC. Z uporabniškega vidika so ovire pri usposabljanju večinoma prepustile kvantno računalništvo kvantnim strokovnjakom.

"Gradivo za usposabljanje, ki ga potrebujete za začetek uporabe kvantnega računalništva, je prav tako v povojih," je dejal Humble. "Za veliko večino uporabnikov HPC, ki želijo sprejeti kvantne, moramo ustvariti vire za usposabljanje."

Čeprav je veliko HPC-kvantnih sodelovanj še vedno na začetku, lahko izkušnje iz programov, kot je QCUP in kvantnih projektov v drugih HPC centrih, pomagajo pripraviti temelje za prihodnjo HPC-kvantno integracijo.

Katie Elyce Jones je ustanoviteljica in urednica publikacije raziskovalnih novic SteberQ.