今年7月，量子計算設(shè)備正式入駐這個能源部實驗室：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)計算設(shè)施安裝了其量子計算機。該設(shè)施是一個高性能計算(HPC)中心，擁有全球少數(shù)幾臺艾級系統(tǒng)之一的Frontier HPE-Cray EX超級計算機。
當前的任務(wù)是尋找讓快速計算機變得更加強大的方法，使其能夠應(yīng)對任何單一技術(shù)都無法解決的挑戰(zhàn)。
"我們認為量子計算機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算系統(tǒng)集成。如果我們能將量子計算機與這些系統(tǒng)結(jié)合，那將是一個令人驚嘆的過程。"
**挖掘量子與經(jīng)典計算的力量**
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，讓量子計算機能夠處理大量數(shù)據(jù)和執(zhí)行眾多計算。
許多行業(yè)專家認為量子計算機將與經(jīng)典超級計算協(xié)同發(fā)展。實際上，最近幾次量子計算部署都在HPC設(shè)施中進行。例如，在紐約倫斯勒理工學(xué)院，IBM量子系統(tǒng)一號機器與該大學(xué)的人工智能多處理優(yōu)化系統(tǒng)超級計算機共處一個校園。同樣，日本國家科學(xué)研究機構(gòu)理研已將IBM量子系統(tǒng)二號與其富岳超級計算機集成。
橡樹嶺項目符合這一模式。目標是結(jié)合量子和經(jīng)典系統(tǒng)，讓每個組件都能處理復(fù)雜問題中最適合的部分。傳統(tǒng)超級計算機可能幫助縮小特定計算問題的范圍，將最棘手的任務(wù)分配給量子計算機。
但要實現(xiàn)這一目標還有很多工作要做。簡單來說，這是一個協(xié)調(diào)不同技術(shù)的問題。
"量子計算機的技術(shù)和思維模式與高性能計算技術(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，一個基本問題是確定獲得滿足其任務(wù)目標和計算目標的混合HPC量子計算機的時間表，Humble說。
"我們現(xiàn)在了解的是集成所需的時間表、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，實驗室發(fā)現(xiàn)Quantum Brilliance的計算機可以輕松融入HPC中心。Humble說每臺設(shè)備都設(shè)計為適合標準服務(wù)器機架。他指出電力和冷卻要求"與傳統(tǒng)計算機服務(wù)器相差不遠"。
不同類型量子機器的冷卻要求各不相同。例如，基于超導(dǎo)量子比特的量子計算機通常在極低溫度下運行，以保護脆弱的量子態(tài)不崩潰。稀釋制冷機等專業(yè)冷卻設(shè)備通常是此類部署的一部分。
然而，Quantum Brilliance的計算機基于鉆石中的氮空位。這種方法即使按量子計算標準也很特殊，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誤所需的穩(wěn)定性。鉆石技術(shù)讓機器能在室溫下運行，無需專業(yè)冷卻。
Humble說橡樹嶺選擇Quantum Brilliance技術(shù)部分是因為其熟悉的占地面積、室溫操作以及將量子機器放置在接近實驗室計算基礎(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)將幫助實驗室探索集成。這一實驗的結(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Marcus 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并行計算節(jié)點組成的集群，每個節(jié)點包含CPU、GPU和量子處理單元。節(jié)點共享經(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，當多個企業(yè)用戶同時調(diào)用訓(xùn)練模型時，也需要這種并行化。
Alice & Bob量子計算公司和專注于HPC的行業(yè)分析公司Hyperion Research的聯(lián)合報告也支持集成。9月9日發(fā)布的報告指出，"現(xiàn)在是在量子和HPC之間建立橋梁的時候了。"
這項聯(lián)合研究預(yù)測，早期容錯量子計算機將在本十年末到達，可能早在2027年。這些機器的錯誤率將比目前的量子計算機更低，推動它們超越經(jīng)典超級計算機的能力。量子計算機供應(yīng)商、研究人員和早期采用者尋求實現(xiàn)相對于傳統(tǒng)IT的量子優(yōu)勢。
報告將創(chuàng)建混合軟件棧作為將HPC與早期容錯計算機集成的關(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，像橡樹嶺這樣旨在將量子計算與經(jīng)典工作流并行化的組織必須深入了解這些機器的工作原理——并預(yù)期錯誤，她說。
"當你運行作業(yè)時，總是在某處出現(xiàn)故障，"她說。"你必須預(yù)期這一點，并構(gòu)建一個強大的軟件棧，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算機**
在橡樹嶺，集成任務(wù)可能會擴展到更多本地機器。
"我認為我們需要接觸盡可能多的不同類型量子計算機，以了解每種機器的優(yōu)勢和細微差別，"Humble說。
這方面的行動似乎正在進行中。8月，芬蘭量子計算機制造商IQM Quantum Computers表示，橡樹嶺已選擇其IQM Radiance機器進行本地部署和集成。IQM的計算機基于超導(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行業(yè)。在短期內(nèi)，量子計算機可以作為加速器，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)機會。
"未來，這種協(xié)作和工作流混合化將加速并實現(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量子計算機有什么特別之處？
A：Quantum Brilliance的量子計算機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，能夠在室溫下運行，無需專業(yè)冷卻設(shè)備，每臺設(shè)備設(shè)計為適合標準服務(wù)器機架，電力和冷卻要求與傳統(tǒng)計算機服務(wù)器相差不遠。
Q2：量子計算與經(jīng)典超級計算集成有什么意義？
A：集成的目標是讓量子和經(jīng)典系統(tǒng)各自處理復(fù)雜問題中最適合的部分。傳統(tǒng)超級計算機幫助縮小計算問題范圍，將最棘手的任務(wù)分配給量子計算機。這種結(jié)合可以為仿真和優(yōu)化應(yīng)用提供更強大的計算能力和并行性，未來將加速并實現(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)是量子計算機的技術(shù)和思維模式與高性能計算技術(shù)、工具和文化并不明顯兼容。需要確定集成時間表、所需工具，以及對空間和電力的要求。還需要構(gòu)建強大的軟件棧來處理運行過程中的故障，以及開發(fā)協(xié)調(diào)量子和HPC處理的中間件層。
