研究旨在将高性能计算和量子计算结合起来用于科学研究

Josiah02 · 发表于 2024-8-29 12:55:43

美国能源部橡树岭国家实验室十多位科学家开展了一项研究，探讨了在科学研究中将量子计算与世界上最强大的超级计算系统相结合的潜在策略。
《未来一代计算系统》杂志发表的研究从宏观角度审视了量子计算和传统高性能计算（HPC）的现状，并描述了利用量子方法提升传统科学 HPC 的潜在框架。
“这就像一份宣言，表明我们如何以实验室的身份进入计算的新时代，”论文合著者、ORNL 国家计算科学中心 (NCCS) 高级研究员 Rafael Ferreira da Silva 说道。“我们的方法不是唯一正确的方法，但我们认为它将是一种有用的方法，它建立在 ORNL 作为超级计算领导者的传统之上，并且随着技术的发展和下一代计算的形成，我们可以适应它。”
ORNL 是橡树岭领导力计算设施 (OLCF) 的所在地，该设施拥有世界上速度最快的超级计算机 Frontier，也是 OLCF 量子计算用户计划的所在地，该计划授予全国各地私有量子处理器的使用时间，以支持独立的量子研究。该实验室还领导着美国能源部的量子科学中心，这是一个国家量子信息科学研究中心，它结合了国家实验室、大学和行业合作伙伴的资源和专业知识，研究量子计算、量子传感和量子材料。
“ORNL 在建立传统超级计算机方面拥有丰富的经验，可以追溯到 20 多年前，”这项研究的主要作者、NCCS 科学参与部门负责人汤姆·贝克 (Tom Beck) 说道。“在探索这个新的量子领域时，我们如何应用这些经验并保持这种势头？”
传统计算机以 0 或 1 为单位存储信息。换句话说，传统比特就像电灯开关一样，只有两种状态：开或关。这种二进制动态并不一定适用于某些复杂的科学问题。
“我们在科学中遇到一些问题，例如，当我们试图在传统计算机上模拟电子时，电子以指数方式在原子之间耦合，”贝克说。“我们可以调整公式，尝试以简化的方式解决这些问题，但我们甚至无法开始希望在传统计算机上解决它们。必要的方程式和计算太复杂了。”
量子计算利用量子力学定律将信息存储在量子比特中，量子比特是比特的量子等价物。量子比特可以通过量子叠加同时存在于多个状态，这使得量子比特比传统比特能够携带更多信息。
量子叠加允许量子比特同时处于两种可能的状态，类似于旋转的硬币——硬币既不是正面也不是反面，量子比特既不是一个值也不是另一个值。测量量子比特的值决定了测量两种可能值之一的概率，类似于让硬币停在正面或反面。这种动态允许更广泛的可能值，更像是具有精确设置的刻度盘，而不是二进制开关。
贝克说：“量子方面使我们能够以更有效的方式表示问题，并可能开辟一条新路来解决我们以前无法解决的问题。”
科学家尚未确定编码量子比特的最有效技术，高错误率仍然是利用量子计算潜力的障碍。该研究建议开发量子测试平台来探索各种技术，并将这些测试平台与经典机器相结合。
“我们暂时不想将自己束缚在任何单一技术上，因为我们不知道哪种方法会成为最佳方法，”贝克说。“但尽管我们处于早期阶段，但我们需要开始将量子元素纳入我们的计算基础设施，以期实现潜在的突破。
“最终，我们希望以无缝的方式连接这两种截然不同的计算机，使它们一起运行——类似于图形处理单元 (GPU) 和中央处理单元 (CPU) 的混合架构，可以加速当前领先级的超级计算机。”
这种混合架构被 Frontier 等超级计算机所采用，它在每个节点上集成了两种处理器，以实现最快的计算速度——GPU 用于重复计算，这是大多数模拟的骨干，而 CPU 用于更高级的任务，例如检索信息和执行其他指令。经典处理器和量子处理器在节点上共享空间所需的技术尚不存在。
研究建议，高速网络是目前连接传统 HPC 资源与量子计算机的最佳方式。
“整合程度有高低之分，我们无法立即实现理想，”负责 NCCS 先进技术部门的 ORNL 的 Sarp Oral 说道。“要实现这一理想，我们需要确定哪些算法和应用程序可以利用量子计算。我们的工作是提供更好的科学研究方法，而量子计算可以成为实现这一目的的工具。”
更多信息： Thomas Beck 等人，将量子计算资源整合到科学 HPC 生态系统中，未来一代计算机系统(2024)。DOI ：10.1016/j.future.2024.06.058

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