يتعلم مختبر أوك ريدج الوطني ما يلزم لدمج الحوسبة الكمومية مع الحوسبة الكلاسيكية، ويمكن للتجربة أن تشكل كيفية معالجة أجهزة الكمبيوتر المستقبلية للمشكلات المعقدة عبر الصناعات.
وصل الجانب الكمي من المعادلة إلى مختبر وزارة الطاقة في يوليو: قامت شركة Quantum Brilliance، ومقرها أستراليا، بتركيب أجهزة الكمبيوتر الكمومية الخاصة بها في منشأة Oak Ridge Leadership Computing Facility في ولاية تينيسي. يضم المرفق، وهو مركز للحوسبة عالية الأداء (HPC)، الكمبيوتر العملاق Frontier HPE-Cray EX، وهو أحد حفنة من أنظمة exascale في العالم.
وتتمثل المهمة المطروحة في إيجاد طرق لجعل أجهزة الكمبيوتر السريعة أكثر فعالية وقدرة على مواجهة التحديات التي تتجاوز نطاق أي تقنية منفردة.
وقال ترافيس هامبل، مدير مركز العلوم الكمومية في أوك ريدج: “هناك كل أنواع الأشياء الرائعة التي نعتقد أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية يمكنها القيام بها”. “ولكن للحصول على تأثير أكبر، نود دمج هذه القدرة مع أنظمة الحوسبة عالية الأداء لدينا. إذا تمكنا من الجمع بين أجهزة الكمبيوتر الكمومية وتلك، ستكون هذه عملية مذهلة.”
الاستفادة من قوة الحوسبة الكمومية الكلاسيكية
يهدف أوك ريدج وغيره من المستخدمين الأوائل إلى تسخير خصائص فيزياء الكم أثناء بناء الجيل التالي من منصات الحوسبة. العمليات الكمومية مثل تراكب و تشابك يمكن أن يوفر القوة الحسابية والتوازي لتطبيقات المحاكاة والتحسين الفائقة، من بين أمور أخرى. البتات الكمومية، أو كيوبتتوفر الوحدة الأساسية للمعلومات التي ستسمح لأجهزة الكمبيوتر الكمومية بالعمل مع كميات هائلة من البيانات ومعالجة العديد من الحسابات.
يعتقد العديد من خبراء الصناعة أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية ستفعل ذلك تتطور بالتعاون مع الحوسبة الفائقة الكلاسيكية. في الواقع، تم إجراء العديد من عمليات نشر الحوسبة الكمومية مؤخرًا في مرافق الحوسبة عالية الأداء. في معهد رينسيلار للفنون التطبيقية في نيويورك، على سبيل المثال، تتقاسم آلة IBM Quantum System One الحرم الجامعي مع الكمبيوتر العملاق التابع للجامعة والذي يعمل بنظام الذكاء الاصطناعي متعدد المعالجات. وعلى نحو مماثل، قام معهد ريكن، وهو معهد وطني للبحث العلمي في اليابان، بدمج نظام آي بي إم الكمي الثاني مع حاسوبه العملاق فوجاكو.
يناسب مشروع أوك ريدج هذا النمط. الهدف هو الجمع بين الأنظمة الكمومية والكلاسيكية بحيث يمكن لكل مكون أن يأخذ أجزاء من مشكلة معقدة يكون مناسبًا للتعامل معها بشكل أفضل. قد يساعد الحاسوب العملاق التقليدي في تضييق نطاق مشكلة حوسبة معينة، وتوزيع المهام الصعبة على الكمبيوتر الكمومي.
ولكن لا يزال هناك الكثير من العمل قبل أن يحدث أي من ذلك بانتظام. ببساطة، إنها مسألة التوفيق بين التفاح والبرتقال.
وقال هامبل: “من الواضح أن التكنولوجيا والعقلية المتعلقة بالحواسيب الكمومية لا تتوافق مع تقنيات وأدوات وثقافة الحوسبة عالية الأداء”.
فرز الأساسيات
وقد بدأت أوك ريدج العمل على التغلب على هذه الاختلافات، وفي هذه العملية، تخطط لتحديد العناصر الأساسية التي ستساعد المؤسسات على نشر الأنظمة الكلاسيكية الكمومية. وقال هامبل إن السؤال الأساسي للمؤسسات في مجال الرعاية الصحية أو تطوير المواد أو الدفاع، على سبيل المثال، هو تحديد الجدول الزمني للحصول على كمبيوتر كمي هجين عالي الأداء يلبي أهداف مهمتهم وأهداف الحوسبة.
وقال همبل: “ما نتعلمه الآن هو حول الجداول الزمنية التي ستحتاجها للتكامل، والأدوات التي ستحتاج إليها، وحتى المتطلبات التي قد تكون لديك في النهاية من حيث المساحة والقوة”.
أما بالنسبة للأخيرة، فقد وجد المختبر أن أجهزة الكمبيوتر الخاصة بشركة Quantum Brilliance تتناسب مع مركز HPC مع الحد الأدنى من الضجة. وقال همبل إن كل جهاز مصمم ليناسب رف الخادم القياسي. وأشار إلى أن متطلبات الطاقة والتبريد “ليست بعيدة عن خادم الكمبيوتر التقليدي”.
تختلف متطلبات التبريد عبر الأنواع المختلفة للآلات الكمومية المتاحة. على سبيل المثال، تعمل أجهزة الكمبيوتر الكمومية المعتمدة على الكيوبتات فائقة التوصيل عادةً في درجات حرارة شديدة البرودة لحماية الحالات الكمومية الهشة من الانهيار. غالبًا ما تكون أجهزة التبريد المتخصصة مثل ثلاجات التخفيف جزءًا من عمليات النشر هذه.
ومع ذلك، تعتمد أجهزة الكمبيوتر الخاصة بشركة Quantum Brilliance على وجود النيتروجين الشاغر في الماس. يعتمد هذا النهج، الغريب حتى بمعايير الحوسبة الكمومية، على البنية البلورية الصلبة للماس وخصائص العزل الكهربائي لخلق الاستقرار اللازم لنوافذ معالجة أطول وأخطاء أقل. تتيح تقنية الماس للآلات العمل في درجة حرارة الغرفة والتخلي عن التبريد المتخصص.
وقال هامبل إن أوك ريدج اختارت تقنية Quantum Brilliance جزئيًا بسبب بصمتها المألوفة وعمليات درجة حرارة الغرفة وقدرتها على وضع الآلات الكمومية بالقرب من البنية التحتية للكمبيوتر في المختبر.
بناء اتصالات أكثر إحكاما
سيساعد الارتباط المادي الوثيق للمكونات الكمومية والكلاسيكية داخل مركز HPC المختبر على استكشاف التكامل. سيكون لنتائج تلك التجربة آثار على الاستخدام المؤسسي الأوسع للكم.
قال ماركوس دوهرتي، المؤسس المشارك والرئيس التنفيذي للتكنولوجيا في Quantum Brilliance، إن الشركة وOak Ridge ستعملان معًا على تطوير واختبار بنيات وأساليب وتطبيقات مختلفة للمعالجات الكلاسيكية والكمية المدمجة بإحكام. ووصف النشر بأنه مجموعة تتكون من ثلاث عقد حسابية متوازية، تحتوي كل منها على وحدة المعالجة المركزية ووحدة معالجة الرسومات ووحدة معالجة الرسومات وحدة المعالجة الكمومية. وأضاف أن العقد تتشارك في حافلة معلومات كلاسيكية وتتواصل مع بعضها البعض من خلال قنوات الاتصال الكلاسيكية.
وقال دوهرتي إن هذا النوع من البيئة “المتوازية والمهجنة على نطاق واسع” ضروري لـ HPC الكمي ليكون له “تأثير أوسع وأكبر لمستخدمي المؤسسات في المستقبل”.
وأشار إلى مثال التعلم الآلي الكمي، الذي سيتطلب موازاة جماعية أثناء التدريب النموذجي لتنفيذ كميات كبيرة من البيانات ودورات تدريبية عديدة. وستكون هناك حاجة أيضًا إلى هذا التوازي أثناء الاستدلال، عندما يستدعي العديد من مستخدمي المؤسسة النموذج المُدرب في وقت واحد.
إشارة أخرى للتكامل تأتي من تقرير مشترك من Alice & Bob، شركة الحوسبة الكمومية، وHyperion Research، وهي شركة تحليل صناعية تركز على الحوسبة عالية الأداء. التقرير، الذي نُشر في 9 سبتمبر، قال: “الآن هو الوقت المناسب لبناء الجسور بين الكم والحوسبة عالية الأداء.”
وتوقعت الدراسة المشتركة أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية المبكرة المتسامحة مع الأخطاء ستصل بحلول نهاية العقد، وربما في وقت مبكر من عام 2027. وستكون معدلات الخطأ في هذه الآلات أقل من المحصول الحالي من أجهزة الكمبيوتر الكمومية، مما يدفعها إلى ما هو أبعد من قدرات أجهزة الكمبيوتر العملاقة الكلاسيكية. يسعى بائعو الكمبيوتر الكمي والباحثون والمتبنون الأوائل إلى تحقيقه الميزة الكمية على تكنولوجيا المعلومات التقليدية.
وأشار التقرير إلى إنشاء مجموعة برامج هجينة كخطوة أساسية نحو دمج الحوسبة عالية الأداء (HPC) مع أجهزة الكمبيوتر المبكرة التي تتحمل الأخطاء. ستعمل هذه المكدس كطبقة وسيطة تنسق المعالجة الكمومية والحوسبة عالية الأداء.
وقالت جولييت بيرونيت، المؤلفة المشاركة للتقرير والمدير العام لشركة Alice & Bob الأمريكية، ومقرها في باريس وبوسطن: “في السنوات القليلة المقبلة، سنرى البرمجيات الوسيطة التي تسمح بسير العمل المختلط”.
وفي هذه الأثناء، قالت إن منظمات مثل أوك ريدج، التي تهدف إلى تحقيق التوازن بين الحوسبة الكمومية وسير العمل الكلاسيكي، يجب أن تطور فهمًا عميقًا لكيفية عمل هذه الآلات – وتوقع الأخطاء.
وقالت: “عندما تدير عملاً ما، يكون هناك دائماً بعض الفشل في مكان ما”. وقال بيرونيت: “عليك أن تتوقع ذلك وأن تبني مجموعة برامج قوية تسمح لك بالحصول على النتيجة التي تتوقعها”.
اختبار أكبر عدد ممكن من أنواع أجهزة الكمبيوتر الكمومية
في أوك ريدج، من المحتمل أن تشمل مهمة التكامل أجهزة إضافية داخل المبنى.
وقال هامبل: “أعتقد أننا بحاجة إلى الوصول إلى أكبر عدد ممكن من أنواع أجهزة الكمبيوتر الكمومية لفهم المزايا والفروق الدقيقة التي تأتي مع كل منها”.
ويبدو أن التحركات في هذا الاتجاه جارية. في أغسطس، قالت شركة IQM Quantum Computers، وهي شركة فنلندية لتصنيع أجهزة الكمبيوتر الكمومية، إن شركة Oak Ridge اختارت جهاز IQM Radiance الخاص بها من أجل النشر والتكامل محليًا. تعتمد أجهزة الكمبيوتر الخاصة بشركة IQM على الكيوبتات فائقة التوصيل.
وقال جان جويتز، الرئيس التنفيذي المشارك لشركة IQM، إن دمج الحوسبة عالية الأداء الكمي والتقليدي يمكن أن يعيد تشكيل الصناعات بأكملها. وأشار إلى أنه على المدى القريب، يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية أن تعمل كمسرعات، مما يعزز أداء أنظمة الحوسبة عالية الأداء. ومع ذلك، فإن التكامل سيفتح في النهاية فرصًا أوسع للمؤسسات.
وقال جويتز: “في المستقبل، سيؤدي هذا التعاون والتهجين لسير العمل إلى تسريع وتمكين حالات استخدام جديدة تمامًا”.
وقال همبل إن التكامل المستمر بين أنظمة الكم والحوسبة عالية الأداء سيساعد في تحديد البنى المستقبلية.
وقال: “أحد الأشياء الأكثر إثارة هو إجراء البحث اليوم، ولكن معرفة ما نقوم به اليوم سيكون له تأثير كبير على الشكل الذي ستبدو عليه أنظمة الغد”.
لمزيد من الأفكار من جون مور حول الحوسبة الكمومية، راجع المقالة: لوحة الكترونية معززة للمستقبل: تقنية InfiniBand تلتقي بالكم.
