
Une étude cherche à unir le calcul haute performance et l’informatique quantique pour la science
Schéma de l’intégration QC/HPC à l’OLCF. Il s’agit d’une vue de haut niveau de l’état idéal du cadre présenté dans la section 8. Le cadre intégrera de manière transparente des simulateurs, des dispositifs quantiques basés sur le cloud et du matériel quantique sur site. Crédit : Systèmes informatiques de la future génération (2024). DOI : 10.1016/j.future.2024.06.058
Une étude menée par plus d’une douzaine de scientifiques du laboratoire national d’Oak Ridge du ministère de l’Énergie examine les stratégies potentielles pour intégrer l’informatique quantique aux systèmes de supercalcul les plus puissants du monde dans la poursuite de la science.
L’étude publiée dans Systèmes informatiques de la future génération jette un regard global sur l’état de l’informatique quantique et du calcul haute performance classique, ou HPC, et décrit un cadre potentiel pour stimuler le HPC scientifique traditionnel en tirant parti de l’approche quantique.
« C’est en quelque sorte un manifeste sur la manière dont nous proposons de plonger en tant que laboratoire dans cette nouvelle ère de l’informatique », a déclaré le co-auteur Rafael Ferreira da Silva, chercheur principal au Centre national des sciences informatiques de l’ORNL, ou NCCS. « Notre approche ne sera pas la seule bonne, mais nous pensons qu’elle sera utile et qu’elle s’appuiera sur l’héritage de l’ORNL en tant que leader du calcul intensif et que nous pourrons l’adapter à mesure que la technologie évolue et que la prochaine génération de calcul prend forme. »
L’ORNL abrite l’Oak Ridge Leadership Computing Facility, ou OLCF, qui abrite Frontier, le supercalculateur le plus rapide du monde, et le programme d’utilisateurs de l’informatique quantique de l’OLCF, qui accorde du temps d’utilisation de processeurs quantiques privés dans tout le pays pour soutenir des études quantiques indépendantes. Le laboratoire dirige également le Quantum Science Center du DOE, un centre national de recherche en sciences de l’information quantique, qui combine les ressources et l’expertise des laboratoires nationaux, des universités et des partenaires industriels pour étudier l’informatique quantique, la détection quantique et les matériaux quantiques.
« Nous avons une vaste expérience ici à l’ORNL dans la mise en place de superordinateurs classiques, qui remonte à plus de 20 ans », a déclaré Tom Beck, l’auteur principal de l’étude, qui supervise la section d’engagement scientifique du NCCS. « Comment pouvons-nous appliquer cette expérience et maintenir cet élan alors que nous explorons ce nouveau domaine quantique ? »
Les ordinateurs classiques stockent les informations sous forme de bits valant soit 0, soit 1. En d’autres termes, un bit classique, comme un interrupteur, existe dans l’un des deux états suivants : allumé ou éteint. Cette dynamique binaire ne s’adapte pas nécessairement à certains problèmes scientifiques complexes.
« Nous rencontrons certains problèmes scientifiques dans lesquels les électrons, par exemple, sont couplés entre les atomes de manière exponentielle lorsque nous essayons de les modéliser sur un ordinateur classique », a déclaré Beck. « Nous pouvons ajuster les formules et essayer de résoudre ces problèmes de manière abrégée, mais nous ne pouvons même pas espérer les résoudre sur un ordinateur classique. Les équations et les calculs nécessaires sont tout simplement trop complexes. »
L’informatique quantique utilise les lois de la mécanique quantique pour stocker des informations dans des qubits, l’équivalent quantique des bits. Les qubits peuvent exister dans plusieurs états simultanément grâce à la superposition quantique, ce qui leur permet de transporter plus d’informations que les bits classiques.
La superposition quantique permet à un qubit d’exister dans deux états possibles en même temps, à la manière d’une pièce de monnaie qui tourne : ni pile ni face pour la pièce, ni une valeur ni l’autre pour le qubit. La mesure de la valeur du qubit détermine la probabilité de mesurer l’une des deux valeurs possibles, de la même manière que l’on arrête la pièce sur pile ou face. Cette dynamique permet une plus large gamme de valeurs possibles, plus proche d’un cadran avec des réglages précis que d’un interrupteur binaire marche-arrêt.
« L’aspect quantique nous permet de représenter le problème de manière plus efficace et ouvre potentiellement une nouvelle façon de résoudre des problèmes que nous ne pouvions pas résoudre auparavant », a déclaré Beck.
Les scientifiques n’ont pas encore trouvé la technologie la plus efficace pour coder les qubits, et les taux d’erreur élevés demeurent un obstacle à l’exploitation du potentiel de l’informatique quantique. L’étude propose de développer des bancs d’essai quantiques pour explorer les différentes technologies et de coupler ces bancs d’essai avec des machines classiques.
« Nous ne voulons pas nous lier à une technologie particulière pour le moment, car nous ne savons pas quelle approche sera la meilleure », a déclaré Beck. « Mais tant que nous en sommes à ce stade précoce, nous devons commencer à intégrer des éléments quantiques dans notre infrastructure informatique en vue d’éventuelles percées. »
« À terme, nous souhaitons connecter ces deux types d’ordinateurs très différents de manière transparente pour faire fonctionner les machines ensemble, de manière similaire à l’architecture hybride des unités de traitement graphique, ou GPU, et des unités centrales de traitement, ou CPU, qui accélère les supercalculateurs actuels de pointe. »
Cette architecture hybride, utilisée par des supercalculateurs comme Frontier, intègre les deux types de processeurs sur chaque nœud pour un calcul le plus rapide possible : les GPU pour les calculs répétitifs qui constituent l’épine dorsale de la plupart des simulations et les CPU pour les tâches de plus haut niveau telles que la récupération d’informations et l’exécution d’autres instructions. La technologie nécessaire pour que les processeurs classiques et quantiques partagent l’espace sur un nœud n’existe pas encore.
L’étude recommande un réseau à haut débit comme le meilleur moyen de connecter les ressources HPC classiques aux ordinateurs quantiques pour l’instant.
« Il existe plusieurs degrés d’intégration, et nous n’atteindrons pas l’idéal tout de suite », a déclaré Sarp Oral, de l’ORNL, qui supervise la section des technologies avancées du NCCS. « Pour atteindre cet idéal, nous devons identifier les algorithmes et les applications qui peuvent tirer parti de l’informatique quantique. Notre travail consiste à fournir de meilleures méthodes de conduite de la science, et l’informatique quantique peut être un outil qui répond à cet objectif. »
Plus d’informations :
Thomas Beck et al., Intégration des ressources informatiques quantiques dans les écosystèmes HPC scientifiques, Systèmes informatiques de la future génération (2024). DOI : 10.1016/j.future.2024.06.058
Fourni par le laboratoire national d’Oak Ridge
Citation: Une étude vise à unir le calcul haute performance et l’informatique quantique pour la science (2024, 28 août) récupéré le 28 août 2024 à partir de
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