ผู้ใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมทำงานร่วมกับซูเปอร์คอมพิวเตอร์คลาสสิก: บทสัมภาษณ์ Travis Humble ที่ Oak Ridge Lab

โดย Katie Elyce Jones บรรณาธิการ PillarQ

ในขณะที่ชุมชนคอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูง (HPC) มองข้ามกฎของมัวร์สำหรับโซลูชันเพื่อเร่งระบบในอนาคต เทคโนโลยีหนึ่งที่อยู่แถวหน้าคือคอมพิวเตอร์ควอนตัม ซึ่งรวบรวมเงินทุนด้านการวิจัยและพัฒนาทั่วโลกหลายพันล้านดอลลาร์ในแต่ละปี

บางทีก็ไม่น่าแปลกใจเลยที่ศูนย์ HPC ซึ่งรวมถึง Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) ซึ่งเป็นบ้านของ Frontier ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ exascale เครื่องแรกของโลก กำลังค้นหาวิธีที่จะใช้ประโยชน์จากและพัฒนาระบบควอนตัม

OLCF's ตั้งอยู่ที่ Oak Ridge National Laboratory (ORNL) ในรัฐเทนเนสซี และได้รับทุนสนับสนุนจากกระทรวงพลังงานสหรัฐ (DOE) โปรแกรมผู้ใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัม (QCUP) ช่วยให้ผู้ใช้ในสาขาวิทยาศาสตร์สามารถเข้าถึงระบบควอนตัมคอมพิวติ้งเชิงพาณิชย์รายใหญ่จากระยะไกลได้ ปัจจุบัน โปรแกรมนำเสนอการเข้าถึงสถาปัตยกรรมตัวนำยิ่งยวดต่างๆ จาก IBM Quantum Services และ Rigetti Quantum Cloud Services ตลอดจนคอมพิวเตอร์และอีมูเลเตอร์ Quantinuum trap-ion โปรแกรมกำลังเตรียมการเข้าถึงระบบ IonQ Trapp-ion

ในความคิดริเริ่มใหม่ในปีนี้OLCF และ QCUP กำลังเชื่อมโยงควอนตัมและ HPC ผ่านโปรแกรมการจัดสรรแบบไฮบริดที่ให้การเข้าถึงแบบคู่สำหรับผู้ขายควอนตัมของ QCUP และซูเปอร์คอมพิวเตอร์ของ OLCF

Travis Humble ผู้อำนวยการ QCUP กล่าวว่า "จุดประสงค์ของ QCUP คือช่วยให้เราเข้าใจว่าเทคโนโลยี [ควอนตัม] กำลังพัฒนาอย่างไร และช่วยให้เราคาดการณ์ได้ว่าเมื่อใดที่เราต้องการให้เทคโนโลยีนั้นเป็นส่วนหนึ่งของระบบ HPC ถัดไป"

ฮัมเบิลยังเป็นผู้อำนวยการของ ORNL's ศูนย์วิทยาศาสตร์ควอนตัมซึ่งได้รับทุนสนับสนุนจากโครงการอื่นของ DOE ซึ่งเป็นศูนย์วิจัยวิทยาศาสตร์ข้อมูลควอนตัมแห่งชาติ แต่มีส่วนได้ส่วนเสียที่ทับซ้อนกันในการวิจัยและพัฒนาควอนตัม เขาจะเป็นผู้อภิปรายในหัวข้อ “Quantum Computing: A Future for HPC Acceleration?” ที่ SC22 (การประชุมนานาชาติสำหรับการประมวลผลประสิทธิภาพสูง เครือข่าย การจัดเก็บข้อมูล และการวิเคราะห์) ในวันศุกร์ที่ 18 พฤศจิกายน

Humble กล่าวว่า QCUP นำเสนอระบบควอนตัมคอมพิวติ้งที่หลากหลาย เพื่อสำรวจว่าสิ่งใดทำงานได้ดีที่สุดสำหรับปัญหาบางอย่าง และคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมก็เป็นส่วนหนึ่งของการสำรวจนี้ “เรายังไม่รู้ว่าฮาร์ดแวร์ที่ดีที่สุดและแอพพลิเคชั่นจะเข้ากันได้อย่างไร ตามทฤษฎีแล้ว การคำนวณด้วยควอนตัมทำให้เรามีสนามเด็กเล่นใหม่สำหรับการทดลองการคำนวณ เพื่อแจ้งการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ ดังนั้นมันจึงเปลี่ยนประเภทของปัญหาที่เราสามารถคำนวณได้จริง ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ทรงพลัง—แต่ก็มีข้อจำกัดเช่นกัน ไฮบริดใช้สิ่งที่ดีที่สุดของทั้งสองโลก”

อย่างไรก็ตาม เขาเตือนว่าปัจจุบันมีแอปพลิเคชั่นไม่มากนักที่ใช้ประโยชน์จากอุปกรณ์ทั้งสอง และความตั้งใจของการจัดสรรควอนตัม-คลาสสิกแบบไฮบริดแบบใหม่ของ QCUP คือการค้นหาแอปพลิเคชั่นที่ทำงานได้ดีบนอุปกรณ์ทั้งสอง

ฟรอนเทียร์ ซูเปอร์คอมพิวเตอร์

QCUP มีผู้ใช้ประมาณ 250 รายและมีการพัฒนาตั้งแต่ปี 2016 จากโปรแกรมห้องปฏิบัติการภายในสู่โปรแกรมผู้ใช้ปัจจุบัน ได้รับการสนับสนุนจากโปรแกรม Advanced Scientific Computing Research (ASCR) ของ DOE โปรแกรมผู้ใช้ควอนตัมใช้โมเดลผู้ใช้ HPC เดียวกันกับศูนย์ประมวลผลชั้นนำของ ASCR ซึ่งจะทบทวนข้อเสนอทางวิทยาศาสตร์สำหรับผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นและข้อดีในการจัดสรรเวลาบนระบบคอมพิวเตอร์

“เรามองหาความเป็นไปได้—พวกเขากำลังพยายามแก้ปัญหาที่จะพอดีกับคอมพิวเตอร์ควอนตัม—และความพร้อมทางเทคนิคและการใช้งาน” ฮัมเบิลกล่าว

การสนับสนุนช่วยเหลือผู้ใช้ของ QCUP รวมถึงทีม Science Engagement ที่ช่วยนักวิจัยในการย้ายรหัสของพวกเขา แม้ว่าในอดีตผู้ใช้จำนวนมากจะเป็น "ผู้ใช้ควอนตัมที่เชี่ยวชาญ" เขากล่าว “พวกเขาได้เขียนโปรแกรมและพร้อมที่จะไป”

ผู้ใช้จำนวนมากมาจากโปรแกรมทางวิทยาศาสตร์ที่มีงานวิจัยเกี่ยวข้องกับควอนตัม เช่น พลังงานสูง ฟิสิกส์นิวเคลียร์ และพลังงานฟิวชัน ตัวอย่างเช่น ทีมที่นำโดย Lawrence Berkeley National Laboratory ใช้ทรัพยากรของ QCUP จำลองส่วนของโปรตอนสองตัวชนกันแบ่งการคำนวณทางฟิสิกส์ออกเป็นส่วนที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการคำนวณแบบคลาสสิกเทียบกับการคำนวณแบบควอนตัม เพื่อรวมเอฟเฟกต์ควอนตัมที่คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกจะประมาณค่าได้

“ถึงตอนนี้ ฟิสิกส์มีอยู่มากที่สุด ประการที่สองน่าจะเป็นวิทยาการคอมพิวเตอร์ ซึ่งรวมถึงการสร้างเครื่องมือที่ช่วยให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีประสิทธิภาพที่ดีขึ้น” ฮัมเบิลกล่าว

ในโครงการ QCUP อื่น ทีมที่นำโดยนักวิจัยจาก University of Chicago และ Argonne National Laboratory ข้อบกพร่องของควอนตัมสปินจำลองด้วยแอพพลิเคชั่นเข้ารหัสข้อมูลในควอนตัมคอมพิวเตอร์ ในกรณีนี้ พวกเขาใช้การคำนวณแบบดั้งเดิมเพื่อตรวจสอบและลดข้อผิดพลาดในการคำนวณควอนตัม

ปัญญาประดิษฐ์ (AI) ยังปรากฏตัวที่อินเทอร์เฟซของคอมพิวเตอร์คลาสสิกและควอนตัม Humble กล่าวว่าเป้าหมายของโครงการวิทยาการคอมพิวเตอร์บางโครงการคือการใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อเร่งเวิร์กโฟลว์ของ AI และแมชชีนเลิร์นนิง หรือเพื่อเปิดเผยข้อมูลเฉพาะของควอนตัมในข้อมูลที่ AI สร้างขึ้น

แม้ว่าโปรแกรมจะให้การเข้าถึงคอมพิวเตอร์ควอนตัมผ่านสิ่งอำนวยความสะดวกสำหรับผู้ใช้ HPC แต่คอมพิวเตอร์เหล่านี้ไม่ได้รวมเข้ากับระบบ HPC หนึ่งในเป้าหมายสูงสุดของ QCUP คือการเชื่อมต่อระบบควอนตัมและ HPC แต่ก็มีอุปสรรคในระยะสั้น

“ส่วนหนึ่งของอุปสรรคในตอนนี้คือการคำนวณด้วยควอนตัมยังเร็วเกินไป ถ้าคุณดูว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นอย่างไรในทุกวันนี้ อีก 6 เดือนมันจะถูกแทนที่ด้วยสิ่งใหม่” ฮัมเบิลกล่าว

จากมุมมองทางเทคนิค คอมพิวเตอร์ควอนตัมยังคงต้องการการบำรุงรักษาเป็นพิเศษ และยังไม่สามารถแข่งขันกับประสิทธิภาพของ HPC ได้ จากมุมมองของผู้ใช้ อุปสรรคในการฝึกอบรมทำให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมตกชั้นไปเป็นผู้เชี่ยวชาญควอนตัมเป็นส่วนใหญ่

“เอกสารการฝึกอบรมที่คุณต้องเริ่มใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น” ฮัมเบิลกล่าว “สำหรับผู้ใช้ HPC ส่วนใหญ่ที่ต้องการใช้ควอนตัม เราต้องสร้างทรัพยากรการฝึกอบรมสำหรับพวกเขา”

แม้ว่าความร่วมมือ HPC-ควอนตัมจำนวนมากยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น แต่ประสบการณ์จากโปรแกรมอย่าง QCUP และโครงการควอนตัมที่ศูนย์ HPC อื่นๆ อาจช่วยสร้างเวทีสำหรับการรวม HPC-ควอนตัมในอนาคต

Katie Elyce Jones เป็นผู้ก่อตั้งและบรรณาธิการของสิ่งพิมพ์ข่าวการวิจัย เสา Q.