Компания NVIDIA анонсировала проект по созданию передовой лаборатории квантовых вычислений. В инициативе участвуют Юлихский суперкомпьютерный центр (Германия) и немецкая компания ParTec AG. Новая структура станет частью Унифицированной инфраструктуры квантовых вычислений Юлиха (Jülich UNified Infrastructure for Quantum Computing, JUNIQ),

Речь идёт об использовании концепции гибридных квантово-классических вычислений. Напомним, летом 2022 года NVIDIA представила платформу разработки QODA, объединяющую миры обычных и квантовых вычислений. А в марте нынешнего года дебютировала система NVIDIA DGX Quantum, в которой совмещены средства ускоренных вычислений на базе Grace Hopper, открытой модели программирования CUDA Quantum и квантовая управляющая платформа Quantum Machines OPX+.

Источник изображения: NVIDIA

Новая лаборатория станет площадкой для выполнения ресурсоёмких задач в рамках концепции квантово-классических вычислений с небольшой задержкой. В дополнение к CUDA Quantum планируется задействовать инструментарий NVIDIA cuQuantum SDK. Ресурсы лаборатории будут интегрированы в модульную суперкомпьютерную архитектуру Юлихского суперкомпьютерного центра.

Ожидается, что концепция гибридных квантово-классических вычислений приблизит квантовые вычисления к реальности. Подход может быть эффективен при решении сложных задач, с которыми не справляются одни лишь классические компьютеры. Исследователи, в частности, рассчитывают добиться беспрецедентных успехов в области химии и материаловедения.

QMware и QuiX Quantum объявили о создании в нидерландском Энсхеде гибридного дата-центра, в котором сочетается классическая HPC-инфраструктура с квантовыми технологиями. Как сообщает Inside HPC, речь идёт о первой интегрированной гибридной системе такого типа. Ожидается, что ЦОД будет готов к коммерческому использованию уже в августе 2023 года.

Пока известно, что проприетарное программное обеспечение QMware позволяет объединить принципиально разные аппаратные вычислительные системы, способные использовать общую память. Повышенные вычислительные мощности позволят обеспечивать более точные результаты, а благодаря QuiX Quantum с её масштабируемой технологией, можно использовать системы для самых разных ресурсоёмких задач.

Источник изображения: QuiX Quantum

Квантовый компьютер компании QuiX Quantum оптимально подходит для гибридной системы, поскольку способен работать при комнатной температуре и легко масштабируется. Для соединения с HPC-инфраструктурой используется оптоволоконное подключение. Управление системой обеспечит унифицированная версия Linux — в сравнении с существующими гибридными решениями новая инфраструктура намного производительнее и экономичнее.

Если существующие гибридные системы обычно требуют веб-интеграции квантовой составляющей и HPC-оборудования, то в данном случае этого не требуется, взаимодействие на одной площадке обеспечивает проприетарное железо и ПО Qmware. В результате конечные клиенты получают одновременный доступ к мощностям обоих типов с низкой задержкой.

Представителями партнёров ожидают, что использование гибридной инфраструктуры позволит обрабатывать данные в некоторых приложениях до 10 раз быстрее. По словам представителя QuiX Quantum, компания намерена обеспечить использование квантовых технологий в прикладной сфере. По его мнению, оптимизация энергосетей, цепочек поставок или дорожного движения — лишь немногие из сфер, где, возможно, будут применяться гибридные технологии при сотрудничестве с Qmware.

Квантовые компьютеры довольно активно покупаются и используются операторами ЦОД, в том числе речь идёт и о гибридных системах. Так, только в марте этого года NVIDIA представила систему DGX Quantum для гибридных квантово-классических вычислений.

Компания NVIDIA в партнёрстве с Quantum Machines анонсировала DGX Quantum — первую систему, объединяющую GPU и квантовые вычисления. Решение использует новую открытую программную платформу CUDA Quantum. Утверждается, что система предоставляет революционно архитектуру для исследователей, работающими с гибридными вычислениями с низкой задержкой.

NVIDIA DGX Quantum объединяет средства ускоренных вычислений на базе Grace Hopper (Arm-процессор + ускоритель H100), модели программирования с открытым исходным кодом CUDA Quantum и передовую квантовую управляющую платформу Quantum Machines OPX+. Такая комбинация позволяет создавать ресурсоёмкие приложения, сочетающие квантовые вычисления с современными классическими вычислениями. При этом в числе прочего обеспечивается работа гибридных алгоритмов и коррекция ошибок.

Источник изображения: NVIDIA

Представленное решение предполагает соединение Grace Hopper и Quantum Machines OPX+ посредством интерфейса PCIe. Это обеспечивает задержку менее микросекунды между ускорителем и блоками квантовой обработки (QPU). Отмечается, что OPX+ — это универсальная система квантового управления. Таким образом, можно максимизировать производительность QPU и предоставить разработчикам новые возможности при использовании квантовых алгоритмов. Системы Grace Hopper и OPX+ можно масштабировать в соответствии с потребностями — от QPU с несколькими кубитами до суперкомпьютера с квантовым ускорением.

Источник изображения: NVIDIA

О намерении интегрировать CUDA Quantum в свои платформы уже заявили компании по производству квантового оборудования Anyon Systems, Atom Computing, IonQ, ORCA Computing, Oxford Quantum Circuits и QuEra, разработчики ПО Agnostiq и QMware, а также некоторые суперкомпьютерные центры.

Компания OVHcloud, европейский поставщик облачных услуг, сообщила о приобретении своего первого квантового компьютера у парижской фирмы Quandela. Систему планируется использовать в рамках различных исследовательских проектов в области квантовых вычислений.

Компьютер построен на платформе Quandela MosaiQ с фотонным процессором. OVHcloud заказала 2-кубитную систему, которая в процессе работы охлаждается до -265 °C. При этом система может быть смонтирована в стандартной 19″ стойке.

О стоимости проекта и месте размещения квантового компьютера ничего не сообщается. Но говорится, что поставки оборудования запланированы на осень 2023 года. Благодаря использованию фотоники платформа с течением времени может обновляться и модифицироваться. Пока не ясно, предложит ли OVHcloud доступ к квантовой системе своим клиентам.

Источник изображения: Quandela

Между тем британская компания Oxford Quantum Circuits (OQC) объявила о планах по установке квантового компьютера в дата-центре Equinix в Токио (Япония). Оборудование будет смонтировано на площадке Equinix TY11 Tokyo IBX. Благодаря использованию сети Equinix Fabric мощности системы станут доступны в формате «квантовые вычисления как услуга» для корпоративных заказчиков OQC по всему миру.

Технические характеристики квантового компьютера не разглашаются, но отмечается, что новый сервис будет запущен к концу текущего года. Это вторая подобная сделка OQC по размещению квантового компьютера в колокейшн-центре. В прошлом году компания сообщила об установке квантовой системы в дата-центре Cyxtera LHR3 в Великобритании. Таким образом, операторы ЦОД и площадок колокации стремятся догнать крупные облака, которые уже предлагают доступ сразу к нескольким системам.

Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) назвало трёх партнёров для своей программы исследования квантовых вычислений Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC): Microsoft, Atom Computing и PsiQuantum.

Цель инициативы US2QC заключается в том, чтобы выяснить, возможно ли создать квантовую систему, вычислительная ценность которой превышает её стоимость, быстрее, чем это предсказывают прогнозы. Для этого планируется исследовать принципиально новые подходы к квантовым вычислениям.

Источник изображения: Microsoft

Microsoft, в частности, намерена развивать свою технологию масштабируемых квантовых вычислений на основе топологических кубитов. Утверждается, что такая уникальная архитектура теоретически позволяет квантовой системе быть достаточно маленькой, чтобы поместиться в обычной стойке, и достаточно быстрой, чтобы решать практические проблемы. Такой компьютер сможет управлять более чем 1 млн кубитов.

Atom Computing сосредоточится на обеспечении масштабируемости квантовых вычислений за счёт атомных массивов. В рамках сотрудничества с DARPA будут изучены новые способы масштабирования количества кубитов для более крупных систем, дополнительные уровни запутанных связей для повышения производительности и более широкий набор алгоритмов квантовой коррекции ошибок для обеспечения отказоустойчивости.

PsiQuantum в рамках этого проекта намерена изучить проблемы, связанные с созданием отказоустойчивых квантовых компьютеров — гораздо более крупных и мощных, чем существующие маломасштабные системы. Всем трём компаниям предстоит представить концепцию, описывающую их планы по созданию квантового компьютера. Затем необходимо описать все компоненты и подсистемы, которые — после создания и тестирования — покажут, что крупномасштабный квантовый компьютер может быть построен в соответствии с проектом и работать так, как предполагалось.

К HPC-комплексу LUMI, установленному в Финском научном IT-центре CSC в Каяани, подключён квантовый компьютер HELMI исследовательской организации VTT. Утверждается, что впервые в Европе исследователи смогут воспользоваться преимуществами гибридной архитектуры, совмещающей традиционный суперкомпьютер и квантовую систему общего назначения. Евросоюз планирует создать целую инфраструктуру из HPC-комплексов, дополненных квантовыми системами. Для их размещения уже выбраны шесть локаций в Чехии, Германии, Испании, Франции, Италии и Польше.

Постройка LUMI началась в 2021 году, а официальный запуск состоялся в 2022-м. В основу положена платформа HPE Cray EX. Конфигурация включает блок с ускорителями в составе 2560 узлов, каждый из которых состоит из одного 64-ядерного кастомного процессора AMD EPYC Trento и четырёх AMD Instinct MI250X. Второй блок содержит только 64-ядерные CPU AMD EPYC Milan в 1536 двухсокетных узлах. В текущем рейтинге TOP500 LUMI занимает третье место с производительностью 151,9 Пфлопс и пиковым быстродействием 214,4 Пфлопс.

Источник изображений: VTT

В свою очередь, HELMI — это 5-кубитный квантовый компьютер, который также начал эксплуатироваться в 2021 году. Интеграция систем была выполнена совместными усилиями Центра технических исследований Финляндии VTT, CSC и Университетом Аалто в рамках финской инфраструктуры квантовых вычислений FiQCI. Сейчас планируется провести открытый конкурс с предоставлением пилотного доступа к системе финским университетам и исследовательским организациями. В дальнейшем доступ к системе будет предоставлен более широкой аудитории.

Интеграция LUMI и HELMI, как ожидается, позволит решать самые сложные вычислительные задачи, с которыми ни одна из этих систем не способна справиться в одиночку — некоторые типы задач можно решать быстрее, точнее или с меньшими затратами энергии именно на квантовых компьютерах, которые, в свою очередь, не годятся для традиционных расчётов. Например, оптимизацию цепочек поставок, маршрутов поездок и управление портфелем проще выполнять с помощью квантовых компьютеров.

Гибридная система также поможет в разработке новых продуктов и материалов в фармацевтической, химической и аккумуляторной промышленности. А совместное использование ИИ и квантовых вычислений позволит вывести на новый уровень создание новых молекулярных структур. Кроме того, гибридный комплекс ускорит и упростит разработку квантовых алгоритмов и специализированного ПО для квантовых компьютеров.

VTT позиционирует HELMI в большей степени как квантовый ускоритель или сопроцессор, предназначенный для работы вместе с мощными HPC-системами, такими как LUMI. Планируется, что новый гибридный комплекс будет применяться в тех областях, где решающее значение имеют высокая точность и качество расчётов, но время на решение задачи ограничено. Это могут быть, например, краткосрочные прогнозы погоды. VTT уже проектирует квантовый компьютер с 20 кубитами, а на 2024 год намечен запуск 50-кубитной системы.

Расположенная в Кракове Академия Горичзо Хутнича (AGH) ввела в эксплуатацию новый суперкомпьютер Athena. А в скором времени польская Познань приютит и один из первых квантовых компьютеров, создаваемых в рамках панъевропейского проекта European High Performance Computing Joint Undertaking (EuroHPC JU).

Новый суперкомпьютер встал в строй в компьютерном центре CYFRONET, расположенном в ЦОД Podole Data Center. Задействована передовая система управления энергией, охлаждением и кондиционированием, а выделяемое суперкомпьютером тепло используется для отопления здания. Athena имеет пиковую производительность 7,7 Пфлопс и занимает 105 место в последнем списке TOP500 самых мощных суперкомпьютеров мира. Быстродействие не так велико, но зато эта система входит в десятку самых энергоэффективных суперкомпьютеров в списке Green500. Потребляет машина всего 147 кВт.

Источник изображения: CYFRONET

Суперкомпьютер построен польской компанией Format и состоит из 48 серверов FormatServer THOR ERG21, оснащённых 6144 вычислительными ядрами — используются процессоры AMD EPYC, 384 SXM-ускорителя NVIDIA A100 (40 Гбайт) и интерконнект InfiniBand HDR. Athena предназначена в первую очередь для ИИ-нагрузок и решения медицинских задач. Новая система дополнит уже работающие в CYFRONET Prometheus (2,3 Пфлопс, HPE) и Ares (3,5 Пфлопс, Huawei).

Не менее важен и ещё один проект — в Познаньском суперкомпьютерном и сетевом центре (PSNC) будет построен квантовый компьютер при сотрудничестве с компанией Creotech Instruments. Это одна из шести европейских площадок, выбранных в рамках проекта EuroHPC. Предусматривается привлечение в центр экспертов по квантовым технологиям из Центральной и Восточной Европы, включая Австрию, Венгрию, Латвию, Литву и Словению. Помимо Польши, ко второй половине 2023 года Европа намерена ввести в эксплуатацию квантовые мощности в Германии, Испании, Франции, Италии и, наконец, Чехии.

В рамках проекта European High Performance Computing Joint Undertaking (EuroHPC JU), реализуемого властями Евросоюза, странами-участницами и частными компаниями с целью создания инфраструктуры высокопроизводительных вычислений, отобраны первые локации, предназначенные для размещения квантовых компьютеров.

Представители Еврокомиссии считают, что совместный проект является важнейшим для цифрового общества региона, позволит не только внести вклад в борьбу с изменениями климата, но и станет значимым шагом на пути создания доступной квантовой инфраструктуры в ЕС.

Источник изображения: IT4Innovations

Агентство EuroHPC JU приняло решение о размещении первых квантовых компьютеров в Чехии, Германии, Испании, Франции, Италии и Польше, причём новые системы, предназначенные преимущественно для разработок и научных исследований, проводимых учёными из ЕС, могут ввести в эксплуатацию уже ко второй половине 2023 года. Системами также смогут пользоваться представители промышленности и государственного сектора.

Ожидается, что квантовые системы интегрируют в уже существующие суперкомпьютеры, а специально отобранные операторы будут управлять ими от имени EuroHPC JU. Вендоры, ответственные за выпуск квантовых систем, пока не названы. Системы будут софинансироваться EuroHPC JU посредством инициативы Digital Europe Programme и 17-ю странами ЕС. В частности, EuroHPC оплатит до половины расходов. Общие инвестиции составят порядка €100 млн, хотя точные суммы ещё предстоит выяснить.

Пока в рамках сотрудничества EuroHPC JU построено семь суперкомпьютеров: Vega в Словении, MeluXina в Люксембурге, Discoverer в Болгарии, Karolina в Чехии, Deucalion в Португалии, LUMI в Финляндии, а также Leonardo в Италии. В следующем году в Испании будет введён в эксплуатацию Marenostrum 5 производительностью 314 Пфлопс, а площадка Forschungszentrum Jülich в Германии рассматривается в качестве базы для первой системы экзафлопсного уровня — JUPITER. Также в планах есть системы относительно небольшой производительности: DAEDALUS (Греция), LEVENTE (Венгрия), CASPIr (Ирландия) и EHPCPL (Польша).

Компания IonQ, специализирующаяся на разработках в области квантовых вычислений, объявила о доступности IonQ Aria, своего первого коммерчески доступного квантового компьютера, исключительно на платформе Azure Quantum. Aria — вторая система IonQ, появившаяся на платформе Azure Quantum после запуска IonQ Harmony в конце 2019 года.

Глава IonQ отметил, что доступность IonQ Aria и IonQ Harmony в Azure Quantum даёт корпоративным клиентам и исследовательским учреждениям возможность выбора квантовой системы, которая лучше всего подходит для их конкретных потребностей. Aria, по словам IonQ, является сейчас лучшим из публично анонсированных квантовых компьютеров в мире с показателем #AQ (Algorithmic Qubit), равным 23. Более высокий показатель #AQ потенциально может обеспечить более быструю разработку квантовых симуляций и алгоритмов, чем предыдущее поколение квантовых компьютеров.

Источник изображения: IonQ

Избранные клиенты уже начали использовать систему для разработки алгоритмов, снижающих финансовые риски, моделирующих химические реакции в батареях электромобилей и улучшающих классификацию изображений для разрабатываемых автономных транспортных средств. Среди областей применения также называются машинное обучение и логистика. Ежемесячная подписка на доступ к IonQ Aria в Azure Quantum включает сопровождение, консультационные услуги и техническую поддержку. Также Azure предлагает исследователям гранты на сумму до $10 тыс. для доступа к системам IonQ, Honeywell и Rigetti.

В последние годы резко вырос спрос на квантовые системы, которые могут помочь справиться с ранее нерешаемыми задачами. В первой половине этого года IonQ сообщила о коммерческом партнёрстве с Hyundai Motors с целью разработки более эффективных аккумуляторов для электромобилей, а также использования квантового машинного обучения для систем распознавания трёхмерных объектов.

Квантовые компьютеры пока ещё очень молоды, но всё чаще они воспринимаются не как чисто научная «игрушка», а как полезные устройства, способные дать выигрыш в реальных задачах. Программирование таких систем нетривиально, и компания NVIDIA попыталась решить эту проблему, создав унифицированную среду разработки.

Новая программная платформа получила название QODA — Quantum Optimized Device Architecture. Это название очень созвучно CUDA, и цели компания поставила аналогичные — создать единый, унифицированный стандарт программирования для всего спектра квантовых и гибридных систем.

Впрочем, в отличие от CUDA, новая платформа QODA изначально сделана открытой. Как полагает NVIDIA, время квантовых вычислений не за горами, а новый инструментарий уже сейчас позволит разрабатывать для них программное обеспечение, используя симуляцию квантовых процессоров с помощью систем NVIDIA DGX, как обладающих достаточно высокой для этого производительностью.

Источник: NVIDIA

Также предполагается использовать для этого ускорители NVIDIA, установленные в мощнейших суперкомпьютерах мира. Как полагает глава отдела высокопроизводительных и квантовых вычислений NVIDIA, применение гибридных систем, сочетающих обычные и квантовые вычисления, уже в ближайшем будущем может привести к прорывам в ряде научных отраслей, поэтому создание эффективной модели программирования для этих систем так важно.

Множество организаций, работающих над созданием квантовых и гибридных вычислительных систем уже используют другое специализированное ПО, NVIDIA cuQuantum, для разработки квантовых решений. В сочетании с QODA это даст возможность разработки полноценных квантовых приложений с полноценной симуляцией, не дожидаясь появления самих аппаратных квантовых систем.

На токийской конференции Q2B было озвучено достигнутое соглашение с такими разработчиками квантового аппаратного обеспечения как IQM Quantum Computers, Pasqal, Quantinuum, Quantum Brilliance и Xanadu, разработчиками ПО QC Ware и Zapata Computing, а также с суперкомпьютерным центром Юлиха, лабораторией Беркли и Национальной лабораторией Окриджа, как владельцами мощных HPC-систем, способных симулировать квантовые вычисления.

Сведений о QODA пока немного даже на сайте NVIDIA, но там уже можно присоединиться к новой программе, чтобы узнать больше. Но даже сейчас очевидно, что массовое освоение квантовых вычислений способно принести немалую пользу в самых различных отраслях науки и техники, включая создание новых лекарств и материалов. Платформу для будущего прорыва надо закладывать уже сейчас, поэтому инициатива NVIDIA не выглядит преждевременной.