混合超级计算机：研究人员将量子计算机集成到高性能计算环境中

Josiah01

　　因斯布鲁克大学和其附属机构 AQT 合作，首次在奥地利将量子计算机集成到高性能计算 (HPC) 环境中。这种超级计算机和量子计算机的混合基础设施现在可用于解决化学、材料科学或优化等各个领域的复杂问题。
　　对计算能力的需求不断增长，支持这些计算的资源消耗也在增长。传统计算机的处理器时钟速度通常为几GHz，似乎已经达到了极限。
　　过去 10 年，性能改进主要集中在使用多核系统并行化任务，这些系统在 HPC 中心以快速联网多节点计算集群的形式运行。然而，计算能力仅随节点数量的增加而近似线性增加。
　　开发不再专注于相同节点的同质设置，而是转向由各种专用节点或加速器（如 GPU 或 NPU）组成的异构基础设施的运行，每个节点或加速器都针对特定计算进行了优化。
　　“随着量子计算机的出现，以及它们以比传统方法快得多的速度解决化学或材料科学中某些问题的潜力，用于 HPC 计算机的量子加速器是一种新的、非常令人兴奋的可能性，”量子物理学家、因斯布鲁克大学助理教授兼衍生公司 AQT 的首席执行官 Thomas Monz 解释道。
　　因斯布鲁克大学和 AQT 的研究人员和开发人员开始在 HPQC 项目中研究将量子计算机集成到 HPC 环境中。
　　基于量子计算机的标准化接口，因斯布鲁克团队成功将 UIBK 运营的计算集群“LEO5”与 AQT 的“IBEX Q1”量子计算机连接起来。相关工作为未来在异构基础设施中研究和开发量子解决方案奠定了基础。
　　“成功将量子计算机集成到高性能计算环境中，标志着奥地利和欧洲研究和技术发展的一个重要里程碑。这为掌握复杂的科学和工业挑战以及塑造计算的未来开辟了全新的可能性。
　　“该项目令人印象深刻地展示了我们国家所能实现的创新实力和技术领先地位，并展示了欧盟在量子技术领域的巨大潜力和独立性。FFG 很自豪能够支持这一开创性的发展，”FFG 董事总经理 Henrietta Egerth 表示。
　　研究和教学中的混合超级计算机
　　该基础设施目前在 HPQC 项目的背景下运行和扩展，重点是演示混合量子解决方案。联盟合作伙伴（如维也纳的 Math.Tec GmbH 或维也纳工业大学的 Ivona Brandić 教授的研究小组）可以直接访问和执行此混合 HPC-QC 框架中的计算。
　　该联盟以标准化资源和用户管理为基础，为更多用户从因斯布鲁克的基础设施中受益提供了可能性。除了研究和开发之外，所提供的解决方案还将应用于计算机科学、物理或化学系的新讲座，以培养新一代量子感知研究人员和工程师。
　　“在 HPQC 项目中，我们可以轻松访问因斯布鲁克 HPC 基础设施。我们的员工可以在混合基础设施中实施计算，并研究物流问题的新解决方案。我们的研究人员之一 Angelika Widl 博士经常探索未开发的方法，这要归功于因斯布鲁克前所未有的可能性，”HPQC 项目合作伙伴 Math.Tec GmbH 首席执行官 Karl Knall 博士解释说。
　　“量子计算机遵循新颖的计算范式，因此提供了新的解决方案——其中一些解决方案的表现优于最好的传统算法。然而，将这些加速器集成到传统计算机基础设施中，并找到结合两全其美的混合解决方案，是一个尚未探索的研究领域。
　　维也纳技术大学高性能计算系统组负责人 Ivona Brandić 教授表示：“HPQC 项目为我们提供了在这个学术和经济上有趣的领域带头进行研究和开发的可能性。”
　　经典计算机基础设施加速器
　　传统的 HPC 集群通常安装在标准化的 19 英寸机架中。虽然这些设备提供了惊人的计算能力，但自然界中的某些问题，特别是那些需要用量子力学描述的问题，其规模却不利于扩展，以至于只能近似地解决，或者根本无法解决。
　　相应的问题包括对室温超导性的理解，一旦实现，有望彻底改变所有使用电子的领域；其他应用包括固氮等化学过程，以开发成本和能源效率高的肥料或实现碳结合以应对气候变化。
　　虽然处于实验阶段的概念验证量子计算机数量不断增加，但 AQT 已经开发出第一台兼容 19 英寸机架的量子计算机。将量子计算机集成到 HPC 基础设施中，可以为研究人员和开发人员带来两全其美的效果：既能获得经典的出色计算能力，又能加速特定问题类别的计算。
　　挑战在于平衡这两种完全不同的计算方法之间的工作量——计算问题的哪一部分最适合在传统计算机上解决，什么时候应该将计算转移到量子处理器？经典和量子基础设施之间的接口使研究人员能够创造性地找到、调整和扩展经典和量子硬件之间的相互作用。