Користувачі квантових обчислень працюють разом із класичними суперкомп’ютерами: інтерв’ю з Тревісом Хамблем у лабораторії Оук-Рідж

Кеті Еліс Джонс, редактор, PillarQ

Оскільки співтовариство високопродуктивних обчислень (HPC) шукає рішення для прискорення майбутніх систем за межами закону Мура, однією з технологій на передовій є квантові обчислення, які щорічно збирають мільярди доларів глобального фінансування на дослідження та розробки.

Мабуть, не дивно, що центри HPC — включаючи Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), де знаходиться перший у світі ексамасштабний суперкомп’ютер Frontier — знаходять способи використовувати та вдосконалювати квантові системи.

Розташована в Національній лабораторії Оук-Рідж (ORNL) у Теннессі та фінансується Міністерством енергетики США (DOE), OLCF Програма користувача квантових обчислень (QCUP) надає користувачам у галузі науки віддалений доступ до основних комерційних квантових обчислювальних систем. Наразі програма пропонує доступ до різних надпровідних архітектур від IBM Quantum Services і Rigetti Quantum Cloud Services, а також до комп’ютерів і емуляторів Quantinuum із захопленими іонами. Програма також готує доступ до системи захоплених іонів IonQ.

У новій ініціативі цього року, OLCF і QCUP поєднують quantum і HPC за допомогою гібридної програми розподілу, яка забезпечує подвійний доступ до квантових постачальників QCUP і суперкомп’ютерів OLCF.

«Мета QCUP — допомогти нам зрозуміти, як розвивається [квантова] технологія, і спрогнозувати, коли ми захочемо, щоб ця технологія стала частиною наступної системи HPC», — сказав Тревіс Хамбл, директор QCUP.

Хамбл також є директором ORNL Центр квантової науки, яка фінансується через іншу програму Міністерства освіти — Національні дослідницькі центри квантової інформації, але має спільні інтереси в квантових дослідженнях і розробках. Він буде учасником дискусії «Квантові обчислення: майбутнє прискорення HPC?» в SC22 (Міжнародна конференція з високопродуктивних обчислень, мереж, зберігання та аналізу) у п’ятницю, 18 листопада.

Хамбл сказав, що QCUP пропонує низку квантових обчислювальних систем для дослідження того, що найкраще працює для певних проблем, і що класичні обчислення є частиною цього дослідження. «Ми ще не знаємо найкращого апаратного забезпечення та того, як відповідатимуть програми. Квантові обчислення, як теорія, дають нам абсолютно новий ігровий майданчик, на якому ми можемо випробувати обчислення, поінформувати про наукові відкриття, тому це змінює типи проблем, які ми насправді можемо обчислювати. Суперкомп’ютер потужний, але також і обмежений. Гібрид використовує найкраще з обох світів».

Однак він попередив, що зараз не так багато програм добре використовують обидва пристрої, і мета нових квантово-класичних гібридних розподілів QCUP полягає в тому, щоб знайти програми, які добре працюють на обох.

Прикордонний суперкомп'ютер

QCUP має близько 250 користувачів і з 2016 року еволюціонувала від внутрішньої лабораторної програми до поточної програми користувача. Спонсорована програмою передових наукових обчислювальних досліджень DOE (ASCR), квантова програма користувача прийняла ту саму модель користувача HPC, що й провідні обчислювальні засоби ASCR, які переглядають наукові пропозиції щодо потенційного впливу та переваг для розподілу часу на обчислювальні системи.

«Ми шукаємо здійсненність — чи намагаються вони вирішити проблему, яка навіть поміститься на квантовому комп’ютері — і технічну готовність і застосування», — сказав Хамбл.

Допомога користувачам QCUP включає команду наукової взаємодії, яка допомагає дослідникам у перенесенні їхнього коду, хоча в минулому багато користувачів були «експертами квантових користувачів», сказав він. «Вони написали програми і готові до роботи».

Багато користувачів працюють із науковими програмами, пов’язаними з квантовими дослідженнями, як-от фізика високих енергій, ядерна фізика та термоядерна енергія. Наприклад, команда під керівництвом Національної лабораторії Лоуренса Берклі використовувала ресурси QCUP, щоб змоделювати частину зіткнення двох протонів, розбиваючи фізичні обчислення на ті, які найкраще підходять для класичних і квантових обчислень, щоб включити квантові ефекти, які інакше наближав би класичний комп’ютер.

«На сьогоднішній день фізика представлена ​​найбільше. По-друге, ймовірно, інформатика, яка включає в себе інструменти створення, які забезпечують кращу продуктивність квантового комп’ютера», – сказав Хамбл.

В іншому проекті QCUP команда під керівництвом дослідників Чиказького університету та Аргонської національної лабораторії змодельовані квантові спінові дефекти, із застосуваннями для кодування інформації в квантових комп’ютерах. У цьому випадку вони використовували класичні обчислення для перевірки та зменшення помилок у своїх квантових обчисленнях.

Штучний інтелект (AI) також з’являється на стику класичних і квантових обчислень. Хамбл сказав, що метою деяких проектів з інформатики є використання квантових обчислень для прискорення робочих процесів штучного інтелекту та машинного навчання або для виявлення квантово-специфічної інформації в даних, згенерованих штучним інтелектом.

Незважаючи на те, що програма надає доступ до квантових комп’ютерів через засоби користувача HPC, ці комп’ютери не інтегровані з системами HPC. Однією з кінцевих цілей QCUP є з’єднання квантових і високопродуктивних систем, але є короткострокові бар’єри.

«Частиною перешкоди зараз є те, що квантові обчислення такі ранні. Якщо ви подивіться на те, що таке квантовий комп’ютер сьогодні, через 6 місяців його замінить щось нове», – сказав Хамбл.

З технічної точки зору, квантові комп’ютери все ще вимагають спеціального обслуговування і поки не можуть конкурувати з продуктивністю HPC. З точки зору користувача, перешкоди для навчання здебільшого відвели квантові обчислення до квантових експертів.

«Навчальний матеріал, необхідний для того, щоб почати використовувати квантові обчислення, також знаходиться в зародковому стані», — сказав Хамбл. «Для переважної більшості користувачів HPC, які хочуть прийняти quantum, ми повинні створити для них навчальні ресурси».

Хоча багато HPC-квантової співпраці ще тільки починаються, досвід таких програм, як QCUP і квантових проектів в інших центрах HPC, може допомогти закласти основу для майбутньої інтеграції HPC-quantum.

Кеті Еліс Джонс є засновником і редактором дослідницького видання новин PillarQ.