橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室正在探索量子計(jì)算與經(jīng)典計(jì)算集成的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這一探索可能塑造未來計(jì)算機(jī)解決各行業(yè)復(fù)雜問題的方式。

今年7月，量子計(jì)算設(shè)備正式入駐這個(gè)能源部實(shí)驗(yàn)室：總部位于澳大利亞的Quantum Brilliance公司在田納西州的橡樹嶺領(lǐng)導(dǎo)計(jì)算設(shè)施安裝了其量子計(jì)算機(jī)。該設(shè)施是一個(gè)高性能計(jì)算(HPC)中心，擁有全球少數(shù)幾臺艾級系統(tǒng)之一的Frontier HPE-Cray EX超級計(jì)算機(jī)。

當(dāng)前的任務(wù)是尋找讓快速計(jì)算機(jī)變得更加強(qiáng)大的方法，使其能夠應(yīng)對任何單一技術(shù)都無法解決的挑戰(zhàn)。

"我們認(rèn)為量子計(jì)算機(jī)可以做很多了不起的事情，"橡樹嶺量子科學(xué)中心主任Travis Humble說。"但為了產(chǎn)生更大影響，我們希望將這種能力與高性能計(jì)算系統(tǒng)集成。如果我們能將量子計(jì)算機(jī)與這些系統(tǒng)結(jié)合，那將是一個(gè)令人驚嘆的過程。"

**挖掘量子與經(jīng)典計(jì)算的力量**

橡樹嶺和其他早期用戶旨在利用量子物理特性構(gòu)建下一代計(jì)算平臺。疊加態(tài)和量子糾纏等量子過程可以為仿真和優(yōu)化應(yīng)用等提供計(jì)算能力和并行性。量子比特(qubits)提供了基本信息單元，讓量子計(jì)算機(jī)能夠處理大量數(shù)據(jù)和執(zhí)行眾多計(jì)算。

許多行業(yè)專家認(rèn)為量子計(jì)算機(jī)將與經(jīng)典超級計(jì)算協(xié)同發(fā)展。實(shí)際上，最近幾次量子計(jì)算部署都在HPC設(shè)施中進(jìn)行。例如，在紐約倫斯勒理工學(xué)院，IBM量子系統(tǒng)一號機(jī)器與該大學(xué)的人工智能多處理優(yōu)化系統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)共處一個(gè)校園。同樣，日本國家科學(xué)研究機(jī)構(gòu)理研已將IBM量子系統(tǒng)二號與其富岳超級計(jì)算機(jī)集成。

橡樹嶺項(xiàng)目符合這一模式。目標(biāo)是結(jié)合量子和經(jīng)典系統(tǒng)，讓每個(gè)組件都能處理復(fù)雜問題中最適合的部分。傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)可能幫助縮小特定計(jì)算問題的范圍，將最棘手的任務(wù)分配給量子計(jì)算機(jī)。

但要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)還有很多工作要做。簡單來說，這是一個(gè)協(xié)調(diào)不同技術(shù)的問題。

"量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)和思維模式與高性能計(jì)算技術(shù)、工具和文化并不明顯兼容，"Humble說。

**理清基本問題**

橡樹嶺已開始克服這些差異，并計(jì)劃在此過程中識別幫助企業(yè)部署量子-經(jīng)典系統(tǒng)的關(guān)鍵要素。對于醫(yī)療保健、材料開發(fā)或國防等領(lǐng)域的企業(yè)來說，一個(gè)基本問題是確定獲得滿足其任務(wù)目標(biāo)和計(jì)算目標(biāo)的混合HPC量子計(jì)算機(jī)的時(shí)間表，Humble說。

"我們現(xiàn)在了解的是集成所需的時(shí)間表、所需的工具，甚至是對空間和電力的最終要求，"Humble說。

至于后者，實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)Quantum Brilliance的計(jì)算機(jī)可以輕松融入HPC中心。Humble說每臺設(shè)備都設(shè)計(jì)為適合標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器機(jī)架。他指出電力和冷卻要求"與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)服務(wù)器相差不遠(yuǎn)"。

不同類型量子機(jī)器的冷卻要求各不相同。例如，基于超導(dǎo)量子比特的量子計(jì)算機(jī)通常在極低溫度下運(yùn)行，以保護(hù)脆弱的量子態(tài)不崩潰。稀釋制冷機(jī)等專業(yè)冷卻設(shè)備通常是此類部署的一部分。

然而，Quantum Brilliance的計(jì)算機(jī)基于鉆石中的氮空位。這種方法即使按量子計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)也很特殊，依靠鉆石的剛性晶體結(jié)構(gòu)和電絕緣特性來創(chuàng)造更長處理窗口和更少錯(cuò)誤所需的穩(wěn)定性。鉆石技術(shù)讓機(jī)器能在室溫下運(yùn)行，無需專業(yè)冷卻。

Humble說橡樹嶺選擇Quantum Brilliance技術(shù)部分是因?yàn)槠涫煜さ恼嫉孛娣e、室溫操作以及將量子機(jī)器放置在接近實(shí)驗(yàn)室計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施位置的能力。

**建立更緊密的連接**

HPC中心內(nèi)量子和經(jīng)典組件的緊密物理關(guān)聯(lián)將幫助實(shí)驗(yàn)室探索集成。這一實(shí)驗(yàn)的結(jié)果將對量子技術(shù)更廣泛的企業(yè)應(yīng)用產(chǎn)生影響。

Quantum Brilliance聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官M(fèi)arcus Doherty說，公司和橡樹嶺將共同開發(fā)和測試緊密集成的經(jīng)典和量子處理器的不同架構(gòu)、方法和應(yīng)用。他將這一部署描述為由三個(gè)并行計(jì)算節(jié)點(diǎn)組成的集群，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含CPU、GPU和量子處理單元。節(jié)點(diǎn)共享經(jīng)典信息總線，通過經(jīng)典通信通道相互通信。

這種"大規(guī)模并行和混合化"環(huán)境對于量子HPC在未來對企業(yè)用戶產(chǎn)生"最廣泛和最大影響"至關(guān)重要，Doherty說。

他指出量子機(jī)器學(xué)習(xí)的例子，這將在模型訓(xùn)練期間需要大規(guī)模并行化來執(zhí)行大量數(shù)據(jù)和眾多訓(xùn)練周期。在推理期間，當(dāng)多個(gè)企業(yè)用戶同時(shí)調(diào)用訓(xùn)練模型時(shí)，也需要這種并行化。

Alice & Bob量子計(jì)算公司和專注于HPC的行業(yè)分析公司Hyperion Research的聯(lián)合報(bào)告也支持集成。9月9日發(fā)布的報(bào)告指出，"現(xiàn)在是在量子和HPC之間建立橋梁的時(shí)候了。"

這項(xiàng)聯(lián)合研究預(yù)測，早期容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)將在本十年末到達(dá)，可能早在2027年。這些機(jī)器的錯(cuò)誤率將比目前的量子計(jì)算機(jī)更低，推動(dòng)它們超越經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)的能力。量子計(jì)算機(jī)供應(yīng)商、研究人員和早期采用者尋求實(shí)現(xiàn)相對于傳統(tǒng)IT的量子優(yōu)勢。

報(bào)告將創(chuàng)建混合軟件棧作為將HPC與早期容錯(cuò)計(jì)算機(jī)集成的關(guān)鍵步驟。該棧將作為協(xié)調(diào)量子和HPC處理的中間件層。

總部位于巴黎和波士頓的Alice & Bob公司美國總經(jīng)理、報(bào)告共同作者Juliette Peyronnet說："在未來幾年，我們將看到允許混合工作流的中間件。"

與此同時(shí)，像橡樹嶺這樣旨在將量子計(jì)算與經(jīng)典工作流并行化的組織必須深入了解這些機(jī)器的工作原理——并預(yù)期錯(cuò)誤，她說。

"當(dāng)你運(yùn)行作業(yè)時(shí)，總是在某處出現(xiàn)故障，"她說。"你必須預(yù)期這一點(diǎn)，并構(gòu)建一個(gè)強(qiáng)大的軟件棧，讓你仍然能夠獲得預(yù)期的結(jié)果，"Peyronnet說。

**測試盡可能多類型的量子計(jì)算機(jī)**

在橡樹嶺，集成任務(wù)可能會擴(kuò)展到更多本地機(jī)器。

"我認(rèn)為我們需要接觸盡可能多的不同類型量子計(jì)算機(jī)，以了解每種機(jī)器的優(yōu)勢和細(xì)微差別，"Humble說。

這方面的行動(dòng)似乎正在進(jìn)行中。8月，芬蘭量子計(jì)算機(jī)制造商IQM Quantum Computers表示，橡樹嶺已選擇其IQM Radiance機(jī)器進(jìn)行本地部署和集成。IQM的計(jì)算機(jī)基于超導(dǎo)量子比特。

IQM聯(lián)合首席執(zhí)行官Jan Goetz說，量子和傳統(tǒng)HPC的集成可能重塑整個(gè)行業(yè)。在短期內(nèi)，量子計(jì)算機(jī)可以作為加速器，提升HPC系統(tǒng)的性能。然而，集成最終將開啟更廣泛的企業(yè)機(jī)會。

"未來，這種協(xié)作和工作流混合化將加速并實(shí)現(xiàn)全新的用例，"Goetz說。

Humble說量子和HPC系統(tǒng)的持續(xù)集成將幫助定義未來架構(gòu)。

"最令人興奮的事情之一是今天進(jìn)行研究，但知道我們今天所做的將對明天的系統(tǒng)外觀產(chǎn)生巨大影響，"他說。

Q&A

Q1：Quantum Brilliance量子計(jì)算機(jī)有什么特別之處？

A：Quantum Brilliance的量子計(jì)算機(jī)基于鉆石中的氮空位技術(shù)，這種方法利用鉆石的剛性晶體結(jié)構(gòu)和電絕緣特性創(chuàng)造穩(wěn)定性，能夠在室溫下運(yùn)行，無需專業(yè)冷卻設(shè)備，每臺設(shè)備設(shè)計(jì)為適合標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器機(jī)架，電力和冷卻要求與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)服務(wù)器相差不遠(yuǎn)。

Q2：量子計(jì)算與經(jīng)典超級計(jì)算集成有什么意義？

A：集成的目標(biāo)是讓量子和經(jīng)典系統(tǒng)各自處理復(fù)雜問題中最適合的部分。傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)幫助縮小計(jì)算問題范圍，將最棘手的任務(wù)分配給量子計(jì)算機(jī)。這種結(jié)合可以為仿真和優(yōu)化應(yīng)用提供更強(qiáng)大的計(jì)算能力和并行性，未來將加速并實(shí)現(xiàn)全新的企業(yè)用例。

Q3：量子HPC集成面臨哪些挑戰(zhàn)？

A：主要挑戰(zhàn)是量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)和思維模式與高性能計(jì)算技術(shù)、工具和文化并不明顯兼容。需要確定集成時(shí)間表、所需工具，以及對空間和電力的要求。還需要構(gòu)建強(qiáng)大的軟件棧來處理運(yùn)行過程中的故障，以及開發(fā)協(xié)調(diào)量子和HPC處理的中間件層。