В начале 2000-х годов специалисты по высокопроизводительным вычислениям перепрофилировали графические процессоры - обычные компоненты игровой консоли, используемые для ускорения рендеринга изображений и выполнения других трудоемких задач, - в качестве сопроцессоров, которые помогают процессорам суперкомпьютеров ускорять работу системы.
Спустя два десятилетия квантовые процессоры, или QPU, обещают улучшить существующие компьютерные архитектуры CPU-GPU. Будущие суперкомпьютеры CPU-GPU-QPU могут справляться со сложными рабочими нагрузками, которые не поддаются управлению современными системами.
Чтобы помочь исследователям использовать потенциальные возможности QPU, команда из Национальной лаборатории Ок-Риджа Министерства энергетики разработала передовую программную среду под названием XACC. XACC выгружает части квантово-классических вычислительных нагрузок из центрального процессора в подключенный квантовый ускоритель, который вычисляет результаты и отправляет их обратно в исходную систему. В зависимости от сложности данной проблемы, этот процесс может происходить несколько раз в течение моделирования.
«Мы построили модель ускоренных узлов вычислений и адаптировали ее для оптимизации квантово-классических взаимодействий», - сказал Алекс МакКаски, ученый из ORNL, который разрабатывает и совершенствует структуру с 2016 года.
Классические компьютеры используют «биты», оцениваемые в 0 или 1, тогда как квантовые компьютеры используют квантовые биты, или «кубиты», которые могут кодироваться с 0, 1 или любой комбинацией этих значений одновременно. Эта способность демонстрирует огромные перспективы для лучшего хранения и анализа данных, указывая на то, что квантовые процессоры могут в конечном итоге обогнать классические процессоры с точки зрения мощности, скорости и других ключевых показателей.
Поскольку квантовые методы могут ускорить научные вычисления, исследователи все чаще проводят исследования на новых платформах квантового оборудования. Для поддержки этого исследования ученым требуются безопасные, системные и удобные для пользователя квантово-классические программные среды. Команда разработала XACC, чтобы заполнить этот пробел, и опубликовала его функции и приложения в специальном выпуске Quantum Science and Technology, посвященном квантовому программному обеспечению.
«По своей сути XACC - это способ для пользователей программировать квантово-классические системы на уровне, знакомом для сообщества HPC», - сказал МакКаски. «Поскольку аппаратное обеспечение продолжает совершенствоваться, мы предполагаем новые способы снижения системного шума, ускорения моделирования и интеграции нового квантового программного обеспечения с существующими классическими инструментами и методами».
Уникальная возможность XACC «включай и работай» делает ресурс, разработанный ORNL, совместимым с любым доступным квантовым компьютером. В настоящее время XACC работает с платформами квантовых вычислений, разработанными IBM, Rigetti, D-Wave и IonQ, и эта платформа будет поддерживать дополнительные системы, которые появятся в сети в ближайшем будущем. Исследователи ORNL были первыми, кто создал и продемонстрировал аппаратно-независимую программную среду такого типа для современных квантовых компьютеров.
Инфраструктура предоставляет пользователям дополнительную гибкость, поддерживая C ++ и Python, и команда планирует расширить этот список, включив в него Julia и другие популярные языки программирования. Эти функции позволяют XACC интегрировать процессы CPU-QPU в небольшие вычислительные приложения и крупномасштабные рабочие процессы HPC.
Многие научные проблемы масштабируются экспоненциально, что означает, что добавление одной частицы к существующему моделированию удвоит объем пространства, необходимого для вычисления точных результатов. Классические компьютеры могут имитировать только системы определенного размера, прежде чем напрягать пределы памяти, но будущие квантовые системы могут не иметь такого же ограничения и, таким образом, позволят делать новые открытия в таких областях, как квантовая химия, физика ядра, физика высоких энергий и машинное обучение.
«Кодирование научных задач на квантовых компьютерах позволило бы нам воспользоваться этим пространством экспоненциального масштабирования, чтобы, как мы надеемся, решить более крупные проблемы более быстрым и энергоэффективным способом, чем с помощью чисто классических методов», - сказал МакКаски.
В предыдущих тестах команда доказала, что XACC может тестировать приложения квантовой химии, оценивая различные молекулы. А в 2018 году ученые ORNL использовали XACC для завершения первого успешного моделирования атомного ядра с использованием квантового компьютера. Недавно команда завершила серию дополнительных демонстраций XACC с использованием ресурсов, предоставленных ORNL Compute and Data Environment for Science, что облегчает исследования в лаборатории.
Любой может получить доступ к XACC через Eclipse Foundation , крупного поставщика программного обеспечения с открытым исходным кодом, и эта платформа является первым проектом квантовых вычислений. В настоящее время исследователи готовятся к запуску крупномасштабного квантового моделирования программ с XACC на Summit ORNL, самом быстром суперкомпьютере в мире, который имеет гибридную архитектуру CPU-GPU.
В дальнейшем команда XACC сосредоточится на новых механизмах программирования, которые позволяют пользователям контролировать состояние и движение кубитов, манипулируя ультракороткими квантовыми импульсами . Прямое управление на уровне импульсов может повысить эффективность и оптимизировать квантово-ускоренные приложения.
«Конечная цель для XACC - служить фундаментальной структурой, из которой мы можем построить комплексную программную инфраструктуру для научных квантово-классических вычислений», - сказал МакКаски.
Наряду с МакКаски в команду XACC входят Дмитрий Лях, Евгений Думитреску, Сара Пауэрс, Трэвис Хамбл, Тиен Нгуен, Тайлер Харази, Зак Паркс, Даниэль Клаудино, Энтони Сантана, Джей Джей Биллингс, Грег Уотсон, Роберт Смит, Висенте Лейтон Ортега, Рейд, Прасанна Дата, Павел Луговски и Рафаэль Поузер.
Источник: ОРНЛ
