La competencia se está acelerando para explotar las posibilidades sin explotar de la computación octum, y los científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) creen que la clave radica en combinarla con los sistemas de computación de alto rendimiento (HPC) más potentes de la actualidad.
La innovadora investigación ORNL ha asignado arquitecturas de software diseñadas para reunir la computación cuántica y los sistemas HPC.
Este estudio describe un marco flexible para conectar estas diferentes tecnologías y desbloquea nuevas oportunidades para el modelado científico y la resolución de problemas.
La computación cuántica, todavía en sus primeras etapas, tiene la promesa de procesamiento de potencia mucho más allá del alcance de las máquinas tradicionales.
Al integrar las plataformas cuánticas con los sistemas HPC más rápidos del mundo, los investigadores esperan acelerar los descubrimientos científicos en campos que van desde la ciencia de los materiales hasta el modelado climático.
Por qué Quantum conoce a HPC
La diferencia fundamental entre la computación cuántica y la computación clásica radica en cómo se almacena y opera la información.
Las computadoras clásicas dependen de bits binarios (uno y cero), mientras que las computadoras cuánticas usan qubits. Esto puede existir en múltiples estados al mismo tiempo. Esta propiedad, llamada superposición, permite un rango de cálculo muy grande.
Sin embargo, el hardware cuántico solo no es lo suficientemente potente como para manejar problemas a gran escala. Al combinarlo con los músculos de procesamiento del sistema HPC, los investigadores creen que pueden aprovechar lo mejor de ambos mundos.
Este enfoque refleja el avance logrado cuando la CPU se combina con la GPU. Esta es una combinación que ayudó a empujar la supercomputadora fronteriza de Ornl más allá de la barrera de Exascale en 2022, con velocidades superiores a 1 kintirion por segundo.
Plan de software flexible
La arquitectura de software propuesta por el equipo de ORNL proporciona una hoja de ruta para crear entornos informáticos híbridos. Las innovaciones importantes incluyen:
Un sistema de gestión de recursos unificado que coordina las cargas de trabajo clásicas y cuánticas. Una interfaz de programación cuántica flexible que oculta la complejidad inherente del hardware. Interfaz de administración de plataforma cuántica para una fácil integración de hardware cuántico diverso. Una cadena de herramientas integral para optimizar y ejecutar circuitos cuánticos.
Este marco modular en capas permite agregar generaciones futuras de máquinas cuánticas sin revisar todo el sistema.
Las computadoras cuánticas actúan como un acelerador, y la mayoría de los trabajos pesados se procesan en el lado clásico de HPC.
Abordar los mayores desafíos de Quantum
A pesar de esta posibilidad, la computación cuántica se enfrenta a un gran obstáculo. Los qubits son vulnerables. La tendencia a perder coherencia resulta en altas tasas de error y limita los sistemas de corriente a problemas relativamente pequeños.
Investigadores de todo el mundo han experimentado con una variedad de enfoques utilizando átomos neutros, superconductores, iones confinados y más, pero aún no se han publicado estándares.
La arquitectura de Ornl está diseñada con esta incertidumbre en mente. Al mantener el software adaptable, los marcos pueden evolucionar a medida que maduran nuevas soluciones de hardware, asegurando la viabilidad a largo plazo incluso cuando la tecnología cuántica se transforma rápidamente.
Basado en el trabajo pasado
Este último estudio se basa en una investigación previa de ORNL que exploró estrategias para combinar sistemas HPC con computación cuántica.
Si bien los esfuerzos anteriores se centraron en la integración teórica, una nueva investigación proporciona pautas específicas para implementar un software que permite la informática híbrida.
En el corazón de esto está la idea de un controlador cuántico, un dispositivo que actúa como un intérprete entre un procesador cuántico y una supercomputadora.
Este controlador administra la programación, prioriza el tráfico de datos, asegurando un rendimiento sin problemas en ambas plataformas.
Un sistema de gestión de recursos unificado optimiza aún más este ajuste y evita cuellos de botella que pueden ralentizar los resultados.
Desbloquear la nueva frontera científica
La recompensa potencial por unificar sistemas cuánticos y HPC es enorme. Los equipos comparan el salto con la migración solo de CPU a los sistemas de CPU-GPU. Este es un cambio que expande drásticamente la potencia informática.
Una configuración clásica cuántica híbrida puede hacer problemas que anteriormente se pensaba que eran más accesibles.
Por ejemplo, las supercomputadoras fronterizas pueden simular teóricamente solo unos 50-60 qubits debido a la escala exponencial de los cálculos cuánticos.
En contraste, los procesadores cuánticos reales pueden manejar cientos de qubits, aumentando drásticamente la eficiencia y la precisión.
Dichos avances pueden transformar simulaciones de alta resolución, problemas de optimización y aplicaciones de aprendizaje automático, y proporcionar beneficios exponenciales para la investigación científica e innovación industrial.
Prepararse para un futuro incierto
La forma final de Quantum Computing aún podría estar a décadas de distancia, y el prototipo de hoy puede no parecer la tecnología dominante del mañana.
Esa incertidumbre hace que la flexibilidad sea esencial. El marco propuesto de ORNL enfatiza la modularidad y garantiza que los avances futuros, ya sean hardware o algoritmos, puedan integrarse sin obligar a los investigadores a comenzar desde cero.
El equipo prevé un ecosistema de software dinámico que puede adaptarse a medida que evolucionan los sistemas cuánticos y clásicos.
Al centrarse en la portabilidad del rendimiento, este marco permite a los programadores crear aplicaciones híbridas que pueden ejecutarse incluso cuando cambia el hardware.
El camino por delante
A medida que la competencia global se intensifica, se están realizando esfuerzos similares en Europa y Japón. Los planos de ORNL tienen como objetivo inspirar la colaboración en la comunidad de investigación en lugar de dirigir el modelo final.
El objetivo es crear una base que acelere la innovación y garantice que la convergencia de sistemas cuánticos y HPC tenga el mayor impacto.
Si tiene éxito, los matrimonios informáticos cuánticos y clásicos podrían marcar otro salto exponencial en la capacidad de la humanidad para resolver los desafíos más complejos, desde simulaciones de interacciones moleculares con precisión atómica hasta modelar todo el sistema planetario.
Source link
