“`html

Квантовые вычисления и их практическое применение

Квантовые вычисления имеют большой потенциал для трансформации определенных алгоритмов и приложений, и ожидается, что они будут работать наряду с традиционными высокопроизводительными вычислениями (HPC). Устройства шумных промежуточных квантовых (NISQ) вычислений появились как мощные вычислительные платформы, но они сталкиваются с ограниченным временем когерентности кубитов и высокой вероятностью ошибок. Из-за сложности квантовых алгоритмов становится критически важным вопрос исправления ошибок, что вносит дополнительную сложность. В процессе разработки, тестирования и отладки квантовых алгоритмов квантовые симуляторы играют важную роль, предоставляя контролируемую и безошибочную среду. Они также увеличивают доступность при ограниченных физических ресурсах.

Интеграция квантовых вычислений в HPC среды

Существуют различные подходы к интеграции квантовых вычислений в HPC среды. Эта техника интеграции использует мощность квантовых алгоритмов, сохраняя надежность и универсальность традиционных вычислений. Она разделяется на две основные категории: свободную и тесную интеграцию. Свободная интеграция имеет более гибкую связь между квантовыми и классическими системами, в то время как тесная интеграция использует квантовые вычислительные блоки (QPUs) непосредственно в узлах HPC, аналогично тому, как графические процессоры (GPUs) интегрируются в узлы HPC вычислений. Это позволяет классическим системам обрабатывать традиционные задачи, в то время как квантовые процессоры решают конкретные проблемы, в которых они лучше всего справляются. Однако управление ресурсами и оптимизация производительности представляют вызовы для этих гибридных систем.

Квантовая платформа (QFw) и ее преимущества

Исследователи из Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, TN, США, предложили квантовую платформу (QFw), сосредоточенную на свободной интеграции квантовых вычислений с HPC средами. Этот метод рассматривает квантовые компьютеры как отдельные компоненты в рамках более крупной HPC системы и сосредотачивается на интеграции на месте. В этом случае квантовая машина подключается к HPC центру с использованием высокоскоростных межсистемных соединений и распределенной файловой системы, соединяя ее с классическими HPC системами. Эта платформа предоставляет единое решение для гибридных приложений с максимальными преимуществами HPC для квантовой симуляции, обеспечивая легкий переход к реальному квантовому оборудованию. Она также обеспечивает гибкую инфраструктуру на суперкомпьютере Frontier, поддерживая различные инструменты для построения квантовых цепей и симуляторы.

Предложенная QFw разработана для того, чтобы исследователи могли полностью использовать ресурсы HPC для квантовых вычислений, обеспечивая плавный переход между симуляционными задними концами и реальным квантовым оборудованием. С QFw приложения могут отдельно выделять ресурсы HPC для классических и квантовых задач и использовать любое программное обеспечение для построения цепей, которое им нравится. Платформа предоставляет задний конец для преобразования структур квантовых цепей в QASM 2.0, общий формат квантовых задач. Уровень управления квантовыми задачами (QTM) применяет специфические рабочие процессы, такие как разделение цепей и агрегация результатов. Менеджер платформы квантовых вычислений (QPM) обеспечивает связь с платформой, выполняя квантовые задачи через операции, специфические для платформы.

QFw оценивается с использованием различных интерфейсов, таких как Qiskit и PennyLane, и задних концов, таких как TNQVM и NWQ-Sim. Для измерения производительности используется бенчмарк SupermarQ, который генерирует 20-кубитную GHZ цепь. Результаты, полученные при оценке QFw, показывают эффективность одновременного выполнения нескольких симуляций и завершение 8 симуляций за 66,97 секунд по сравнению с 52,47 секунды для одной симуляции. Это подчеркивает потенциал экономии времени при одновременной симуляции независимых цепей и преимущества умного управления ресурсами. Кроме того, приложение PennyLane успешно интегрировано, демонстрируя гибкость QFw в комбинировании различных интерфейсов и задних концов.

В заключение, исследователи из Oak Ridge National Laboratory представили квантовую платформу (QFw), предлагающую исследователям гибкость для продвижения квантовых исследований на суперкомпьютере Frontier без технических барьеров. Она позволяет пользователям использовать любое программное обеспечение для построения цепей с любым пакетом симуляции, что облегчает исследователям сосредоточиться на своих задачах. QFw позволяет симуляции на HPC системах выходить за обычные пределы и легко переходить к физическому квантовому оборудованию. Ее универсальность позволяет интегрировать различные квантовые платформы без изменений инфраструктуры или приложений. Кроме того, плагиновая архитектура QFw предоставляет общий API для легкой интеграции новых платформ.

“`