Quantum Computing-användare arbetar tillsammans med klassiska superdatorer: en intervju med Travis Humble på Oak Ridge Lab

Av Katie Elyce Jones, redaktör, PillarQ

Eftersom högpresterande datorer (HPC) ser bortom gränsen för Moores lag efter lösningar för att accelerera framtida system, är en teknik i framkant kvantberäkningar, som samlar in miljarder dollar i global FoU-finansiering varje år.

Kanske är det ingen överraskning att HPC-center – inklusive Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), hem för världens första exascale superdator, Frontier – hittar sätt att utnyttja och utveckla kvantsystem.

Beläget vid Oak Ridge National Laboratory (ORNL) i Tennessee och finansierat av US Department of Energy (DOE), OLCF:s Quantum Computing användarprogram (QCUP) ger användare inom vetenskapen fjärråtkomst till stora kommersiella kvantberäkningssystem. För närvarande erbjuder programmet tillgång till olika supraledande arkitekturer från IBM Quantum Services och Rigetti Quantum Cloud Services, samt Quantinuum-datorer och emulatorer med fångade joner. Programmet förbereder också åtkomst till ett IonQ fångade-jonsystem.

I ett nytt initiativ i år, OLCF och QCUP överbryggar kvant och HPC genom ett hybridallokeringsprogram som ger dubbel tillgång till QCUP:s kvantleverantörer och OLCF:s superdatorer.

"Syftet med QCUP är att hjälpa oss att förstå hur [kvant]-teknologin utvecklas och hjälpa oss att förutsäga när vi skulle vilja att den tekniken ska vara en del av nästa HPC-system", säger Travis Humble, QCUP-direktör.

Humble är också chef för ORNL's Quantum Science Center, som finansieras genom ett annat DOE-program – National Quantum Information Science Research Centers – men delar överlappande intressen för kvantforskning och kvantutveckling. Han kommer att vara paneldeltagare för "Quantum Computing: A Future for HPC Acceleration?" på SC22 (The International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage, and Analysis) fredagen den 18 november.

Humble sa att QCUP erbjuder en rad kvantberäkningssystem för att utforska vad som fungerar bäst för vissa problem och att klassisk datoranvändning är en del av denna utforskning. "Vi vet ännu inte vilken hårdvara som är bäst och hur applikationer kommer att matcha. Kvantberäkning, som en teori, ger oss en helt ny lekplats där vi kan prova beräkningar, för att informera vetenskapliga upptäckter, så det förändrar de typer av problem vi faktiskt kan beräkna. En superdator är kraftfull – men den är också begränsad. Hybrid tar det bästa av två världar.”

Han varnade dock för att inte många applikationer för närvarande utnyttjar båda enheterna på ett bra sätt, och avsikten med QCUP:s nya kvantklassiska hybridtilldelningar är att hitta applikationer som fungerar bra på båda.

Frontier superdator

QCUP har cirka 250 användare och har sedan 2016 utvecklats från ett internt laboratorieprogram till det nuvarande användarprogrammet. Sponsrat av DOE:s Advanced Scientific Computing Research (ASCR)-program, antog kvantanvändarprogrammet samma HPC-användarmodell som ASCR:s ledarskapsdatoranläggningar, som granskar vetenskapliga förslag för potentiell påverkan och meriter för att allokera tid på datorsystem.

"Vi letar efter genomförbarhet - försöker de lösa ett problem som till och med passar på en kvantdator - och teknisk beredskap och tillämpning," sa Humble.

Support för QCUP-användarhjälp inkluderar ett Science Engagement Team som hjälper forskare att portera sin kod, även om många användare tidigare har varit "experta kvantanvändare", sa han. "De har skrivit program och är redo att börja."

Många användare kommer från vetenskapliga program med forskningsanknytning till kvant, såsom högenergi- och kärnfysik och fusionsenergi. Till exempel använde ett team under ledning av Lawrence Berkeley National Laboratory QCUP-resurser för att simulera en del av två protoner som kolliderar, bryta fysikberäkningar till de som är bäst lämpade för klassisk kontra kvantberäkning för att inkludera kvanteffekter som en klassisk dator annars skulle uppskatta.

– Fysiken har överlägset mest närvaro. För det andra är förmodligen datavetenskap, som inkluderar att bygga verktyg som möjliggör bättre prestanda för en kvantdator, säger Humble.

I ett annat QCUP-projekt, ett team ledd av University of Chicago och Argonne National Laboratory forskare simulerade kvantspinndefekter, med applikationer för kodning av information i kvantdatorer. I det här fallet använde de klassiska beräkningar för att validera och minska fel i sina kvantberäkningar.

Artificiell intelligens (AI) dyker också upp i gränssnittet mellan klassisk och kvantberäkning. Humble sa att målet med vissa datavetenskapliga projekt är att använda kvantberäkning för att påskynda arbetsflöden för AI och maskininlärning eller för att avslöja kvantspecifik information i AI-genererad data.

Även om programmet ger tillgång till kvantdatorer via en HPC-användarfunktion, är dessa datorer inte integrerade med HPC-system. Ett av de slutliga målen med QCUP är att koppla samman kvant- och HPC-system, men det finns kortsiktiga hinder.

"En del av barriären nu är att kvantberäkning är så tidigt. Om du tittar på vad en kvantdator är idag, om 6 månader, kommer den att ersättas av något nytt”, sa Humble.

Ur ett tekniskt perspektiv kräver kvantdatorer fortfarande särskilt underhåll och kan ännu inte konkurrera med HPC:s prestanda. Ur ett användarperspektiv har träningshinder mestadels förvisat kvantdatorn till kvantexperterna.

"Utbildningsmaterialet som du behöver för att börja använda kvantberäkning är också i sin linda," sa Humble. "För den stora majoriteten av HPC-användare som vill använda quantum måste vi skapa utbildningsresurser för dem."

Även om många HPC-kvantsamarbeten fortfarande är i sina tidiga dagar, kan erfarenheter från program som QCUP och kvantprojekt vid andra HPC-center hjälpa till att sätta scenen för framtida HPC-kvantintegration.

Katie Elyce Jones är grundare och redaktör för forskningsnyhetspublikation PillarQ.