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

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

在量子計算尚未流行的時候，Kristel Michielsen 就已經(jīng)開始接觸這一領(lǐng)域。

這位計算物理學家于 20 世紀 90 年代初在荷蘭模擬量子計算機，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算設(shè)備——尤利希量子計算統(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）等工具幫助開發(fā)者開拓量子計算這個新領(lǐng)域。

尤利希超級計算中心位于科隆附近。該中心的量子項目負責人 Michielsen 表示：“目前的經(jīng)典計算機能耗過大而且無法解決全部問題，因此我們無法只依靠它們來完成工作。但如果將其與能耗不太高的量子計算機組合，那就有可能解決我們現(xiàn)在所面臨的一些最復(fù)雜的問題。”

引入量子處理器

由于量子處理器（QPU）利用了量子力學的特性，它們非常適合模擬原子級的流程，推動化學和材料科學的根本進步。從更高效的電池到更有效的藥物，這項技術(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)化問題。例如，航空公司每天都需要解決將哪架飛機分配到哪條航線這一難題。

安裝在尤利希的量子計算機顯示了近 500 個航班的最高效路線，這一最近的實驗展現(xiàn)了該技術(shù)的巨大潛力。

量子計算還有望將 AI 提升到新的水平。在獨立實驗中，尤利希的研究者使用量子機器學習模擬蛋白質(zhì)如何與 DNA 鏈結(jié)合，并對法國里昂的衛(wèi)星圖像進行分類。

混合系統(tǒng)集兩者之大成

目前已經(jīng)出現(xiàn)了幾個量子計算機原型，雖然其中沒有任何強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)看到了前進的方向。

Michielsen 表示：“長期以來，我們一直將混合系統(tǒng)視為獲得實用量子計算的唯一途徑。在與目前的經(jīng)典高性能計算（HPC）系統(tǒng)連接后，量子計算機將同時具備兩者的最大優(yōu)點。”

這類計算機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，尤利希計劃在明年安裝來自巴黎 Pasqal 公司的中性原子量子計算機。該中心也一直在經(jīng)典系統(tǒng)（例如配備超過 3700 個 NVIDIA A100 Tensor Core GPU 的 JUWELS Booster）上運行量子模擬。

Michielsen 引用了最新的論文，她表示：“通用量子計算機模擬器的 GPU 版本被稱為 JUQCS，與在 CPU 集群上運行的工作相比，其速度提高了 49 倍。這項工作幾乎使用了該系統(tǒng)的所有 GPU 節(jié)點，并高度依賴其 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發(fā)工具包。Michielsen 在談到 SDK 時表示：“它對跨平臺基準測試很有幫助，而且也可以用于啟動或優(yōu)化他人的量子模擬代碼?！?/p>

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)需要詳細研究從氣候科學和醫(yī)學到化學和物理學的各種應(yīng)用，確定哪些部分的代碼可以在量子系統(tǒng)上運行?！?/p>

對于進入量子計算時代的開發(fā)者來說，這是一項艱巨的任務(wù)，但他們也即將獲得幫助。

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

QODA 的高級語言將支持所有種類的量子計算機，其編譯器將作為開源軟件提供。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 開發(fā)者帶來量子飛躍

Michielsen 預(yù)計 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：“這有助于使量子計算更接近 HPC 和 AI 社區(qū)，研究人員進而加快了速度而且不需要進行各種低級編程，大大減輕了工作負擔?！?/p>

Michielsen 預(yù)計，在未來一年及更長的時間內(nèi)，許多研究人員將使用 QODA 來嘗試量子-經(jīng)典混合計算機。

她還表示：“也許未來，QODA 的某個用戶會成為真實世界混合計算的先驅(qū)?！?/p>

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