Người dùng máy tính lượng tử làm việc cùng với siêu máy tính cổ điển: Cuộc phỏng vấn với Travis Humble tại Phòng thí nghiệm Oak Ridge

Bởi Katie Elyce Jones, Biên tập viên, PillarQ

Khi cộng đồng điện toán hiệu năng cao (HPC) nhìn xa hơn Định luật Moore để tìm kiếm các giải pháp tăng tốc các hệ thống trong tương lai, một công nghệ đi đầu là điện toán lượng tử, đang thu về hàng tỷ đô la tài trợ cho R&D toàn cầu mỗi năm.

Có lẽ không có gì ngạc nhiên khi các trung tâm HPC — bao gồm Cơ sở Điện toán Lãnh đạo Oak Ridge (OLCF), ngôi nhà của siêu máy tính exascale đầu tiên trên thế giới, Frontier — đang tìm cách tận dụng và cải tiến các hệ thống lượng tử.

Được đặt tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge (ORNL) ở Tennessee và được tài trợ bởi Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE), OLCF's Chương trình người dùng máy tính lượng tử (QCUP) cung cấp cho người dùng trong khoa học quyền truy cập từ xa vào các hệ thống máy tính lượng tử thương mại lớn. Hiện tại, chương trình cung cấp quyền truy cập vào các kiến ​​trúc siêu dẫn khác nhau từ Dịch vụ lượng tử của IBM và Dịch vụ đám mây lượng tử Rigetti, cũng như các máy tính và trình giả lập ion bẫy lượng tử. Chương trình cũng đang chuẩn bị truy cập vào hệ thống bẫy ion IonQ.

Trong một sáng kiến ​​​​mới trong năm nay, OLCF và QCUP đang kết nối giữa lượng tử và HPC thông qua chương trình phân bổ kết hợp cung cấp quyền truy cập kép vào các nhà cung cấp lượng tử của QCUP và siêu máy tính của OLCF.

“Mục đích của QCUP là giúp chúng tôi hiểu công nghệ [lượng tử] đang phát triển như thế nào và giúp chúng tôi dự báo khi nào chúng tôi muốn công nghệ đó trở thành một phần của hệ thống HPC tiếp theo,” Travis Humble, giám đốc QCUP cho biết.

Humble cũng là giám đốc của ORNL's Trung tâm Khoa học Lượng tử, được tài trợ thông qua một chương trình DOE khác—Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Thông tin Lượng tử Quốc gia—nhưng chia sẻ các lợi ích chồng chéo trong nghiên cứu và phát triển lượng tử. Anh ấy sẽ là thành viên tham gia hội thảo cho “Máy tính lượng tử: Tương lai cho gia tốc HPC?” tại SC22 (Hội nghị quốc tế về điện toán hiệu năng cao, kết nối mạng, lưu trữ và phân tích) vào thứ Sáu, ngày 18 tháng XNUMX.

Humble cho biết QCUP cung cấp một loạt hệ thống điện toán lượng tử để khám phá những gì hoạt động tốt nhất cho một số vấn đề nhất định và điện toán cổ điển là một phần của cuộc khám phá này. “Chúng tôi vẫn chưa biết phần cứng tốt nhất và các ứng dụng sẽ phù hợp như thế nào. Điện toán lượng tử, như một lý thuyết, mang đến cho chúng ta một sân chơi hoàn toàn mới để thử tính toán, cung cấp thông tin cho khám phá khoa học, vì vậy nó thay đổi các loại vấn đề mà chúng ta thực sự có thể tính toán. Một siêu máy tính rất mạnh mẽ nhưng nó cũng bị hạn chế. Hybrid tận dụng tốt nhất của cả hai thế giới.

Tuy nhiên, ông cảnh báo rằng hiện không có nhiều ứng dụng sử dụng tốt cả hai thiết bị và ý định phân bổ kết hợp lượng tử-cổ điển mới của QCUP là tìm các ứng dụng chạy tốt trên cả hai thiết bị.

siêu máy tính biên giới

QCUP có khoảng 250 người dùng và đã phát triển từ năm 2016 từ chương trình phòng thí nghiệm nội bộ thành chương trình người dùng hiện tại. Được tài trợ bởi chương trình Nghiên cứu Điện toán Khoa học Tiên tiến (ASCR) của DOE, chương trình người dùng lượng tử đã áp dụng mô hình người dùng HPC giống như các cơ sở điện toán lãnh đạo của ASCR, nơi xem xét các đề xuất khoa học về tác động tiềm năng và giá trị để phân bổ thời gian trên các hệ thống máy tính.

Humble nói: “Chúng tôi tìm kiếm tính khả thi – liệu họ có đang cố gắng giải quyết một vấn đề thậm chí sẽ phù hợp với máy tính lượng tử hay không – và sự sẵn sàng về mặt kỹ thuật và ứng dụng.

Ông nói: Hỗ trợ hỗ trợ người dùng QCUP bao gồm Nhóm Tham gia Khoa học hỗ trợ các nhà nghiên cứu chuyển mã của họ, mặc dù trước đây nhiều người dùng là “người dùng lượng tử chuyên gia”. “Họ đã viết chương trình và sẵn sàng hoạt động.”

Nhiều người dùng đến từ các chương trình khoa học có quan hệ nghiên cứu với lượng tử, chẳng hạn như năng lượng cao và vật lý hạt nhân cũng như năng lượng nhiệt hạch. Ví dụ: một nhóm do Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley dẫn đầu đã sử dụng tài nguyên QCUP để mô phỏng một phần của hai proton va chạm, chia các phép tính vật lý thành những phép tính phù hợp nhất cho điện toán cổ điển so với điện toán lượng tử để bao gồm các hiệu ứng lượng tử mà một máy tính cổ điển có thể tính gần đúng.

“Cho đến nay, vật lý có sự hiện diện nhiều nhất. Thứ hai có lẽ là khoa học máy tính, bao gồm xây dựng các công cụ cho phép máy tính lượng tử hoạt động tốt hơn,” Humble nói.

Trong một dự án QCUP khác, một nhóm do các nhà nghiên cứu của Đại học Chicago và Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne dẫn đầu khiếm khuyết spin lượng tử mô phỏng, với các ứng dụng mã hóa thông tin trong máy tính lượng tử. Trong trường hợp này, họ đã sử dụng các phép tính cổ điển để xác thực và giảm lỗi trong các phép tính lượng tử của họ.

Trí tuệ nhân tạo (AI) cũng xuất hiện ở giao diện của điện toán cổ điển và điện toán lượng tử. Humble cho biết mục tiêu của một số dự án khoa học máy tính là sử dụng điện toán lượng tử để tăng tốc quy trình AI và máy học hoặc khám phá thông tin cụ thể về lượng tử trong dữ liệu do AI tạo ra.

Mặc dù chương trình cung cấp quyền truy cập vào máy tính lượng tử thông qua cơ sở người dùng HPC, những máy tính này không được tích hợp với hệ thống HPC. Một trong những mục tiêu cuối cùng của QCUP là kết nối các hệ thống lượng tử và HPC, nhưng có những rào cản ngắn hạn.

“Một phần của rào cản hiện nay là điện toán lượng tử còn quá sớm. Nếu bạn nhìn vào máy tính lượng tử ngày nay, trong 6 tháng nữa, nó sẽ bị thay thế bởi một thứ mới,” Humble nói.

Từ góc độ kỹ thuật, máy tính lượng tử vẫn yêu cầu bảo trì đặc biệt và chưa thể cạnh tranh với hiệu suất của HPC. Từ góc độ người dùng, các rào cản đào tạo hầu hết đã khiến điện toán lượng tử bị loại bỏ đối với các chuyên gia lượng tử.

Humble nói: “Tài liệu đào tạo mà bạn cần để bắt đầu sử dụng điện toán lượng tử cũng đang ở giai đoạn sơ khai. “Đối với đại đa số người dùng HPC muốn áp dụng lượng tử, chúng tôi phải tạo tài nguyên đào tạo cho họ.”

Mặc dù nhiều sự hợp tác HPC-lượng tử vẫn còn ở giai đoạn đầu, nhưng kinh nghiệm từ các chương trình như QCUP và các dự án lượng tử tại các trung tâm HPC khác có thể giúp tạo tiền đề cho việc tích hợp HPC-lượng tử trong tương lai.

Katie Elyce Jones là người sáng lập và biên tập viên của ấn phẩm tin tức nghiên cứu Trụ cộtQ.