Integracja komputera kwantowego z HPC

Integracja komputera kwantowego z HPC otwiera nowe możliwości w badaniach naukowych i technologii, dzięki swojej mocy obliczeniowej.

Naukowcy z Uniwersytetu w Innsbrucku we współpracy ze spin-offem AQT po raz pierwszy w Austrii zintegrowali komputer kwantowy z wysokowydajnym środowiskiem obliczeniowym (HPC). Hybrydowa infrastruktura, składająca się z superkomputera i komputera kwantowego, może teraz być używana do rozwiązywania skomplikowanych problemów w takich dziedzinach jak chemia, nauka o materiałach czy optymalizacja.

Zapotrzebowanie na moc obliczeniową stale rośnie, co z kolei zwiększa zużycie zasobów potrzebnych do obsługi tych obliczeń. Częstotliwości zegara procesorów w konwencjonalnych komputerach, zazwyczaj wynoszące kilka GHz, osiągnęły swoje granice. W ciągu ostatnich dziesięciu lat poprawa wydajności skupiła się głównie na równoległym przetwarzaniu zadań przy użyciu systemów wielordzeniowych, które działają w centrach HPC jako szybkie, sieciowe klastry wielowęzłowe. Jednak moc obliczeniowa rośnie tylko w sposób liniowy wraz ze wzrostem liczby węzłów.

Zamiast skupiać się na jednorodnym układzie identycznych węzłów, rozwój przesunął się w kierunku heterogenicznych infrastruktur, składających się z różnych wyspecjalizowanych węzłów lub akceleratorów, takich jak GPU lub NPU, z których każdy jest zoptymalizowany do określonych obliczeń. „Wraz z pojawieniem się komputerów kwantowych i ich potencjałem do szybszego rozwiązywania niektórych problemów w chemii czy nauce o materiałach, kwantowe akceleratory dla komputerów HPC są nową, bardzo ekscytującą możliwością,” wyjaśnia fizyk kwantowy Thomas Monz, adiunkt na Uniwersytecie w Innsbrucku i CEO spin-offu AQT.

Naukowcy i deweloperzy z Uniwersytetu w Innsbrucku oraz AQT zaczęli badać integrację komputera kwantowego z środowiskiem HPC w kontekście projektu HPQC. Opierając się na standaryzowanych interfejsach dla komputerów kwantowych, zespół w Innsbrucku z powodzeniem zintegrował klaster obliczeniowy UIBK „LEO5” z komputerem kwantowym „IBEX Q1” firmy AQT. Praca ta stanowi podstawę dla przyszłych badań i rozwoju rozwiązań kwantowych w ramach heterogenicznych infrastruktur.

„Udana integracja komputera kwantowego z wysokowydajnym środowiskiem obliczeniowym stanowi znaczący krok naprzód dla austriackich i europejskich badań oraz rozwoju technologicznego,” mówi Henrietta Egerth, dyrektor zarządzająca FFG. „Otwiera to całkowicie nowe możliwości w radzeniu sobie z złożonymi wyzwaniami naukowymi i przemysłowymi oraz kształtowaniu przyszłości obliczeń.”

Infrastruktura jest obecnie obsługiwana i rozszerzana w ramach projektu HPQC, koncentrując się na demonstracji hybrydowych rozwiązań kwantowych. Partnerzy konsorcjum, tacy jak Math.Tec GmbH w Wiedniu, czy grupa badawcza wokół prof. Ivony Brandić na TU Wiedeń, mają bezpośredni dostęp i mogą realizować obliczenia w tym hybrydowym środowisku HPC-QC.

Konsorcjum opiera się na standaryzowanym zarządzaniu zasobami i użytkownikami, co ułatwia dostęp większej liczbie użytkowników do infrastruktury w Innsbrucku. Oprócz badań i rozwoju, oferowane rozwiązania znajdą również zastosowanie w nowych wykładach prowadzonych przez katedry informatyki, fizyki czy chemii, kształcąc przyszłe pokolenia naukowców i inżynierów świadomych technologii kwantowych.

Dr. Karl Knall, CEO Math.Tec GmbH, partner w projekcie HPQC, podkreśla: „W ramach projektu HPQC mamy dostęp do infrastruktury HPC w Innsbrucku. Nasi pracownicy mogą realizować obliczenia w hybrydowej infrastrukturze i badać nowe rozwiązania problemów logistycznych.”

„Komputery kwantowe oferują nowe rozwiązania—niektóre z nich przewyższają najlepsze klasyczne algorytmy. Integracja tych akceleratorów z klasyczną infrastrukturą komputerową oraz znalezienie hybrydowych rozwiązań łączących oba światy to jednak niezbadaną dziedziną,” mówi prof. dr Ivona Brandić, kierownik grupy Systemów Wysokowydajnych na TU Wiedeń.

Klasyczne klastry HPC są zwykle instalowane w standaryzowanych 19-calowych szafach. Chociaż urządzenia zapewniają niesamowitą moc obliczeniową, pewne problemy w przyrodzie, zwłaszcza te, które muszą być opisane przez mechanikę kwantową, są praktycznie nierozwiązywalne lub tylko w przybliżeniu rozwiązywalne przy użyciu klasycznych metod. Problemy obejmują zrozumienie nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej, które może zrewolucjonizować wszystkie dziedziny wykorzystujące elektronikę, oraz procesy chemiczne, takie jak wiązanie azotu w celu opracowania energooszczędnych nawozów czy wiązanie węgla w celu przeciwdziałania zmianom klimatycznym.

Integracja komputerów kwantowych z infrastrukturą HPC oferuje naukowcom i deweloperom dostęp do obu tych światów: klasycznych możliwości obliczeniowych połączonych z przyspieszeniem dla specyficznych klas problemów. Wyzwanie polega na zrównoważeniu obciążenia między tymi dwoma różnymi podejściami obliczeniowymi—którą część problemu obliczeniowego najlepiej rozwiązać na klasycznym komputerze, a kiedy przenieść obliczenia do procesora kwantowego? Interfejsy między klasycznymi a kwantowymi infrastrukturami umożliwiają naukowcom kreatywne poszukiwanie, dostosowywanie i rozszerzanie współdziałania między klasycznym a kwantowym sprzętem.

Szymon Ślubowski