橡树岭国家实验室测试量子超算集成技术

橡树岭国家实验室正在探索量子计算与经典计算集成的实践经验，这一探索可能塑造未来计算机解决各行业复杂问题的方式。

今年7月，量子计算设备正式入驻这个能源部实验室：总部位于澳大利亚的Quantum Brilliance公司在田纳西州的橡树岭领导计算设施安装了其量子计算机。该设施是一个高性能计算(HPC)中心，拥有全球少数几台艾级系统之一的Frontier HPE-Cray EX超级计算机。

当前的任务是寻找让快速计算机变得更加强大的方法，使其能够应对任何单一技术都无法解决的挑战。

"我们认为量子计算机可以做很多了不起的事情，"橡树岭量子科学中心主任Travis Humble说。"但为了产生更大影响，我们希望将这种能力与高性能计算系统集成。如果我们能将量子计算机与这些系统结合，那将是一个令人惊叹的过程。"

**挖掘量子与经典计算的力量**

橡树岭和其他早期用户旨在利用量子物理特性构建下一代计算平台。叠加态和量子纠缠等量子过程可以为仿真和优化应用等提供计算能力和并行性。量子比特(qubits)提供了基本信息单元，让量子计算机能够处理大量数据和执行众多计算。

许多行业专家认为量子计算机将与经典超级计算协同发展。实际上，最近几次量子计算部署都在HPC设施中进行。例如，在纽约伦斯勒理工学院，IBM量子系统一号机器与该大学的人工智能多处理优化系统超级计算机共处一个校园。同样，日本国家科学研究机构理研已将IBM量子系统二号与其富岳超级计算机集成。

橡树岭项目符合这一模式。目标是结合量子和经典系统，让每个组件都能处理复杂问题中最适合的部分。传统超级计算机可能帮助缩小特定计算问题的范围，将最棘手的任务分配给量子计算机。

但要实现这一目标还有很多工作要做。简单来说，这是一个协调不同技术的问题。

"量子计算机的技术和思维模式与高性能计算技术、工具和文化并不明显兼容，"Humble说。

**理清基本问题**

橡树岭已开始克服这些差异，并计划在此过程中识别帮助企业部署量子-经典系统的关键要素。对于医疗保健、材料开发或国防等领域的企业来说，一个基本问题是确定获得满足其任务目标和计算目标的混合HPC量子计算机的时间表，Humble说。

"我们现在了解的是集成所需的时间表、所需的工具，甚至是对空间和电力的最终要求，"Humble说。

至于后者，实验室发现Quantum Brilliance的计算机可以轻松融入HPC中心。Humble说每台设备都设计为适合标准服务器机架。他指出电力和冷却要求"与传统计算机服务器相差不远"。

不同类型量子机器的冷却要求各不相同。例如，基于超导量子比特的量子计算机通常在极低温度下运行，以保护脆弱的量子态不崩溃。稀释制冷机等专业冷却设备通常是此类部署的一部分。

然而，Quantum Brilliance的计算机基于钻石中的氮空位。这种方法即使按量子计算标准也很特殊，依靠钻石的刚性晶体结构和电绝缘特性来创造更长处理窗口和更少错误所需的稳定性。钻石技术让机器能在室温下运行，无需专业冷却。

Humble说橡树岭选择Quantum Brilliance技术部分是因为其熟悉的占地面积、室温操作以及将量子机器放置在接近实验室计算基础设施位置的能力。

**建立更紧密的连接**

HPC中心内量子和经典组件的紧密物理关联将帮助实验室探索集成。这一实验的结果将对量子技术更广泛的企业应用产生影响。

Quantum Brilliance联合创始人兼首席技术官Marcus Doherty说，公司和橡树岭将共同开发和测试紧密集成的经典和量子处理器的不同架构、方法和应用。他将这一部署描述为由三个并行计算节点组成的集群，每个节点包含CPU、GPU和量子处理单元。节点共享经典信息总线，通过经典通信通道相互通信。

这种"大规模并行和混合化"环境对于量子HPC在未来对企业用户产生"最广泛和最大影响"至关重要，Doherty说。

他指出量子机器学习的例子，这将在模型训练期间需要大规模并行化来执行大量数据和众多训练周期。在推理期间，当多个企业用户同时调用训练模型时，也需要这种并行化。

Alice & Bob量子计算公司和专注于HPC的行业分析公司Hyperion Research的联合报告也支持集成。9月9日发布的报告指出，"现在是在量子和HPC之间建立桥梁的时候了。"

这项联合研究预测，早期容错量子计算机将在本十年末到达，可能早在2027年。这些机器的错误率将比目前的量子计算机更低，推动它们超越经典超级计算机的能力。量子计算机供应商、研究人员和早期采用者寻求实现相对于传统IT的量子优势。

报告将创建混合软件栈作为将HPC与早期容错计算机集成的关键步骤。该栈将作为协调量子和HPC处理的中间件层。

总部位于巴黎和波士顿的Alice & Bob公司美国总经理、报告共同作者Juliette Peyronnet说："在未来几年，我们将看到允许混合工作流的中间件。"

与此同时，像橡树岭这样旨在将量子计算与经典工作流并行化的组织必须深入了解这些机器的工作原理——并预期错误，她说。

"当你运行作业时，总是在某处出现故障，"她说。"你必须预期这一点，并构建一个强大的软件栈，让你仍然能够获得预期的结果，"Peyronnet说。

**测试尽可能多类型的量子计算机**

在橡树岭，集成任务可能会扩展到更多本地机器。

"我认为我们需要接触尽可能多的不同类型量子计算机，以了解每种机器的优势和细微差别，"Humble说。

这方面的行动似乎正在进行中。8月，芬兰量子计算机制造商IQM Quantum Computers表示，橡树岭已选择其IQM Radiance机器进行本地部署和集成。IQM的计算机基于超导量子比特。

IQM联合首席执行官Jan Goetz说，量子和传统HPC的集成可能重塑整个行业。在短期内，量子计算机可以作为加速器，提升HPC系统的性能。然而，集成最终将开启更广泛的企业机会。

"未来，这种协作和工作流混合化将加速并实现全新的用例，"Goetz说。

Humble说量子和HPC系统的持续集成将帮助定义未来架构。

"最令人兴奋的事情之一是今天进行研究，但知道我们今天所做的将对明天的系统外观产生巨大影响，"他说。

Q&A

Q1：Quantum Brilliance量子计算机有什么特别之处？

A：Quantum Brilliance的量子计算机基于钻石中的氮空位技术，这种方法利用钻石的刚性晶体结构和电绝缘特性创造稳定性，能够在室温下运行，无需专业冷却设备，每台设备设计为适合标准服务器机架，电力和冷却要求与传统计算机服务器相差不远。

Q2：量子计算与经典超级计算集成有什么意义？

A：集成的目标是让量子和经典系统各自处理复杂问题中最适合的部分。传统超级计算机帮助缩小计算问题范围，将最棘手的任务分配给量子计算机。这种结合可以为仿真和优化应用提供更强大的计算能力和并行性，未来将加速并实现全新的企业用例。

Q3：量子HPC集成面临哪些挑战？

A：主要挑战是量子计算机的技术和思维模式与高性能计算技术、工具和文化并不明显兼容。需要确定集成时间表、所需工具，以及对空间和电力的要求。还需要构建强大的软件栈来处理运行过程中的故障，以及开发协调量子和HPC处理的中间件层。