Исследование, проведенное более чем дюжиной ученых из Национальной лаборатории Оук-Ридж Министерства энергетики, рассматривает потенциальные стратегии интеграции квантовых вычислений с самыми мощными в мире суперкомпьютерными системами в научных целях.

В исследовании , опубликованном в журнале Future Generation Computing Systems, дается общий обзор состояния квантовых вычислений и классических высокопроизводительных вычислений (HPC), а также описывается потенциальная структура для развития традиционных научных HPC за счет использования квантового подхода.

«Это своего рода манифест того, как мы предлагаем погрузиться в качестве лаборатории в эту новую эру вычислений», — сказал соавтор Рафаэль Феррейра да Силва, старший научный сотрудник Национального центра вычислительных наук ORNL, или NCCS. «Наш подход не будет единственно правильным, но мы думаем, что он будет полезным, поскольку он будет опираться на наследие ORNL как лидера в области суперкомпьютеров, и что мы сможем адаптироваться по мере развития технологий и формирования следующего поколения вычислений».

ORNL служит домом для Oak Ridge Leadership Computing Facility, или OLCF, где размещается Frontier, самый быстрый в мире суперкомпьютер, и для OLCF Quantum Computing User Program, которая предоставляет время на частных квантовых процессорах по всей стране для поддержки независимых квантовых исследований. Лаборатория также возглавляет Quantum Science Center DOE, национальный исследовательский центр квантовой информационной науки, который объединяет ресурсы и опыт национальных лабораторий, университетов и отраслевых партнеров для исследования квантовых вычислений, квантовых датчиков и квантовых материалов.

«У нас в ORNL огромный опыт в создании классических суперкомпьютеров, накопленный более чем за 20 лет», — сказал Том Бек, ведущий автор исследования, курирующий секцию научного взаимодействия NCCS. «Как мы можем применить этот опыт и сохранить этот импульс, исследуя эту новую квантовую область?»

Классические компьютеры хранят информацию в битах, равных либо 0, либо 1. Другими словами, классический бит, как выключатель света, существует в одном из двух состояний: включено или выключено. Эта бинарная динамика не обязательно соответствует некоторым сложным научным проблемам.

«Мы сталкиваемся с определенными проблемами в науке, в которых электроны, например, связаны между атомами способами, которые растут экспоненциально, когда мы пытаемся смоделировать их на классическом компьютере», — сказал Бек. «Мы можем скорректировать формулы и попытаться решить эти проблемы сокращенным способом, но мы не можем даже начать надеяться решить их на классическом компьютере. Необходимые уравнения и вычисления просто слишком сложны».

Квантовые вычисления используют законы квантовой механики для хранения информации в кубитах, квантовом эквиваленте битов. Кубиты могут существовать в более чем одном состоянии одновременно посредством квантовой суперпозиции, что позволяет кубитам переносить больше информации, чем классические биты.

Квантовая суперпозиция позволяет кубиту существовать в двух возможных состояниях одновременно, подобно вращающейся монете — ни орла, ни решки для монеты, ни одного значения, ни другого для кубита. Измерение значения кубита определяет вероятность измерения любого из двух возможных значений, подобно остановке монеты на орле или решке. Такая динамика допускает более широкий диапазон возможных значений, больше похожий на циферблат с точными настройками, чем на двоичный переключатель «вкл-выкл».

«Квантовый аспект позволяет нам представлять проблему более эффективно и потенциально открывает новый способ решения проблем, который мы не могли решить раньше», — сказал Бек.

Ученые еще не определились с наиболее эффективной технологией кодирования кубитов, а высокий уровень ошибок остается препятствием для использования потенциала квантовых вычислений. Исследование предлагает разработать квантовые испытательные стенды для изучения различных технологий и объединить эти испытательные стенды с классическими машинами.

«Мы пока не хотим привязываться к какой-то одной технологии, потому что не знаем, какой подход окажется лучшим», — сказал Бек. «Но пока мы находимся на этой ранней стадии, нам нужно начать включать квантовые элементы в нашу вычислительную инфраструктуру с прицелом на потенциальные прорывы».

«В конечном итоге мы хотим соединить эти два совершенно разных типа компьютеров бесшовным способом, чтобы машины работали вместе — аналогично гибридной архитектуре графических процессоров (GPU) и центральных процессоров (CPU), которая ускоряет работу современных суперкомпьютеров лидерского класса».

Эта гибридная архитектура, используемая такими суперкомпьютерами, как Frontier, объединяет два типа процессоров на каждом узле для максимально быстрых вычислений — графические процессоры для повторяющихся вычислений, которые составляют основу большинства симуляций, и центральные процессоры для задач более высокого уровня, таких как извлечение информации и выполнение других инструкций. Технология, необходимая для того, чтобы классические и квантовые процессоры могли совместно использовать пространство на узле, пока не существует.

В исследовании рекомендуется использовать высокоскоростную сеть как наилучший на данный момент способ соединения классических ресурсов HPC с квантовыми компьютерами.

«Существуют степени интеграции, и мы не достигнем идеала сразу», — сказал Сарп Орал из ORNL, который курирует секцию передовых технологий NCCS. «Чтобы достичь этого идеала, нам нужно определить, какие алгоритмы и приложения могут использовать преимущества квантовых вычислений. Наша задача — предоставить лучшие способы проведения науки, и квантовые вычисления могут стать инструментом, который служит этой цели».