NVIDIA QODA助力經(jīng)典-量子混合系統(tǒng) 架起通往量子計(jì)算的軟件橋梁

歐洲頂尖研究中心的專(zhuān)家表示，借助 NVIDIA QODA，經(jīng)典-量子混合系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的能效。

在量子計(jì)算尚未流行的時(shí)候，Kristel Michielsen 就已經(jīng)開(kāi)始接觸這一領(lǐng)域。

這位計(jì)算物理學(xué)家于 20 世紀(jì) 90 年代初在荷蘭模擬量子計(jì)算機(jī)，并以此作為她的博士研究課題之一。

如今，Kristel Michielsen 管理著歐洲最大的量子計(jì)算設(shè)備——尤利希量子計(jì)算統(tǒng)一基礎(chǔ)設(shè)施（JUNIQ），她的任務(wù)是使用 NVIDIA 量子優(yōu)化設(shè)備架構(gòu)（QODA）等工具幫助開(kāi)發(fā)者開(kāi)拓量子計(jì)算這個(gè)新領(lǐng)域。

尤利希超級(jí)計(jì)算中心位于科隆附近。該中心的量子項(xiàng)目負(fù)責(zé)人 Michielsen 表示：“目前的經(jīng)典計(jì)算機(jī)能耗過(guò)大而且無(wú)法解決全部問(wèn)題，因此我們無(wú)法只依靠它們來(lái)完成工作。但如果將其與能耗不太高的量子計(jì)算機(jī)組合，那就有可能解決我們現(xiàn)在所面臨的一些最復(fù)雜的問(wèn)題?！?/p>

引入量子處理器

由于量子處理器（QPU）利用了量子力學(xué)的特性，它們非常適合模擬原子級(jí)的流程，推動(dòng)化學(xué)和材料科學(xué)的根本進(jìn)步。從更高效的電池到更有效的藥物，這項(xiàng)技術(shù)將在所有領(lǐng)域引發(fā)多米諾效應(yīng)。

QPU 還可以幫助解決物流等領(lǐng)域棘手的優(yōu)化問(wèn)題。例如，航空公司每天都需要解決將哪架飛機(jī)分配到哪條航線這一難題。

安裝在尤利希的量子計(jì)算機(jī)顯示了近 500 個(gè)航班的最高效路線，這一最近的實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)了該技術(shù)的巨大潛力。

量子計(jì)算還有望將 AI 提升到新的水平。在獨(dú)立實(shí)驗(yàn)中，尤利希的研究者使用量子機(jī)器學(xué)習(xí)模擬蛋白質(zhì)如何與 DNA 鏈結(jié)合，并對(duì)法國(guó)里昂的衛(wèi)星圖像進(jìn)行分類(lèi)。

混合系統(tǒng)集兩者之大成

目前已經(jīng)出現(xiàn)了幾個(gè)量子計(jì)算機(jī)原型，雖然其中沒(méi)有任何強(qiáng)大或可靠到足以處理商業(yè)方面的工作，但研究人員已經(jīng)看到了前進(jìn)的方向。

Michielsen 表示：“長(zhǎng)期以來(lái)，我們一直將混合系統(tǒng)視為獲得實(shí)用量子計(jì)算的唯一途徑。在與目前的經(jīng)典高性能計(jì)算（HPC）系統(tǒng)連接后，量子計(jì)算機(jī)將同時(shí)具備兩者的最大優(yōu)點(diǎn)?！?/p>

這類(lèi)計(jì)算機(jī)也正是尤利希和世界各地的研究人員目前正在建造的。

量子在 A100 GPU 上實(shí)現(xiàn) 49 倍速度提升

除了目前的模擬量子系統(tǒng)之外，尤利希計(jì)劃在明年安裝來(lái)自巴黎 Pasqal 公司的中性原子量子計(jì)算機(jī)。該中心也一直在經(jīng)典系統(tǒng)（例如配備超過(guò) 3700 個(gè) NVIDIA A100 Tensor Core GPU 的 JUWELS Booster）上運(yùn)行量子模擬。

Michielsen 引用了最新的論文，她表示：“通用量子計(jì)算機(jī)模擬器的 GPU 版本被稱(chēng)為 JUQCS，與在 CPU 集群上運(yùn)行的工作相比，其速度提高了 49 倍。這項(xiàng)工作幾乎使用了該系統(tǒng)的所有 GPU 節(jié)點(diǎn)，并高度依賴(lài)其 InfiniBand 網(wǎng)絡(luò)?！?/p>

最近，像 JUWELS Booster 這樣的經(jīng)典系統(tǒng)都在使用 NVIDIA cuQuantum，它是用于在 GPU 上加速量子工作的軟件開(kāi)發(fā)工具包。Michielsen 在談到 SDK 時(shí)表示：“它對(duì)跨平臺(tái)基準(zhǔn)測(cè)試很有幫助，而且也可以用于啟動(dòng)或優(yōu)化他人的量子模擬代碼。”

JUWELS Booster 的核是 A100 GPU（綠色），它可以利用 NVIDIA cuQuantum SDK 模擬量子工作。

混合系統(tǒng)與混合軟件

尤利希和其他研究中心擁有多種 HPC 和量子系統(tǒng)，而且還有更多的 HPC 和量子系統(tǒng)即將投入使用，因此目前所面臨的挑戰(zhàn)之一是如何將所有這些系統(tǒng)連接到一起。

她表示：“HPC 社區(qū)需要詳細(xì)研究從氣候科學(xué)和醫(yī)學(xué)到化學(xué)和物理學(xué)的各種應(yīng)用，確定哪些部分的代碼可以在量子系統(tǒng)上運(yùn)行?！?/p>

對(duì)于進(jìn)入量子計(jì)算時(shí)代的開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，這是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，但他們也即將獲得幫助。

NVIDIA QODA 就像是一座軟件“橋梁”，通過(guò)函數(shù)調(diào)用，開(kāi)發(fā)者可以選擇在 GPU 或量子處理器上運(yùn)行量子工作。

QODA 的高級(jí)語(yǔ)言將支持所有種類(lèi)的量子計(jì)算機(jī)，其編譯器將作為開(kāi)源軟件提供。它還得到了包括Pasqal、Xanadu、QC Ware 和 Zapata 等量子系統(tǒng)和軟件供應(yīng)商的支持。

為 HPC 和 AI 開(kāi)發(fā)者帶來(lái)量子飛躍

Michielsen 預(yù)計(jì) JUNIQ 將為全歐洲使用其量子服務(wù)的研究人員提供 QODA。

她表示：“這有助于使量子計(jì)算更接近 HPC 和 AI 社區(qū)，研究人員進(jìn)而加快了速度而且不需要進(jìn)行各種低級(jí)編程，大大減輕了工作負(fù)擔(dān)?！?/p>

Michielsen 預(yù)計(jì)，在未來(lái)一年及更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，許多研究人員將使用 QODA 來(lái)嘗試量子-經(jīng)典混合計(jì)算機(jī)。

她還表示：“也許未來(lái)，QODA 的某個(gè)用戶(hù)會(huì)成為真實(shí)世界混合計(jì)算的先驅(qū)?！?/p>

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