L'informatica quantistica e i sistemi di calcolo ad alte prestazioni si uniscono, come spiegato dall'ORNL in un piano di progettazione del software
Il Laboratorio Nazionale di Oak Ridge (ORNL) ha proposto un'architettura software innovativa che mira a unire il calcolo quantistico e i sistemi di calcolo ad alte prestazioni (HPC). Questo approccio unificato, sviluppato dal team di ricerca sulle Applicazioni del Calcolo Quantistico (QCAR), offre una roadmap per la creazione di ambienti di calcolo ibridi.
L'architettura proposta include un sistema di gestione delle risorse unificato, un'interfaccia di programmazione quantistica flessibile, un'interfaccia di gestione della piattaforma quantistica e una catena di strumenti completa per l'ottimizzazione e l'esecuzione dei circuiti quantistici. Questa configurazione è progettata per accelerare l'innovazione, garantendo che la convergenza dei sistemi quantistici e HPC abbia il massimo impatto, promuovendo la collaborazione nella comunità di ricerca.
L'unione dei sistemi quantistici e HPC potrebbe avere un potenziale immenso. Gli setup ibridi quantistico-classici potrebbero potenzialmente risolvere problemi precedentemente considerati insolubili. Integrando le piattaforme quantistiche con i più veloci sistemi HPC del mondo, i ricercatori sperano di accelerare la scoperta scientifica in aree che vanno dalla scienza dei materiali alla modellazione del clima.
Il concetto di un controller quantistico è fondamentale per la ricerca. Agendo come un interprete tra un processore quantistico e un supercomputer, il controller quantistico gestirebbe la programmazione, prioriterebbe il traffico dei dati e garantirebbe un funzionamento fluido su entrambe le piattaforme. L'architettura software delinea un framework flessibile per connettere le tecnologie classiche e quantistiche, aprendo nuove opportunità per la modellazione scientifica e la risoluzione dei problemi.
A livello base, lo studio offre linee guida concrete per l'implementazione del software che rende possibile il calcolo ibrido. Nel sistema ibrido, il computer quantistico opererebbe come un acceleratore, con la maggior parte del lavoro pesante gestito sul lato HPC classico.
L'approccio è simile al breakthrough raggiunto quando i CPU sono stati accoppiati con i GPU, una combinazione che ha aiutato a superare la barriera dell'exascale del supercomputer Frontier di ORNL nel 2022 con velocità superiori a un quintilione di calcoli al secondo. Tuttavia, è importante notare che il calcolo quantistico, ancora nella sua fase iniziale, promette una potenza di calcolo molto oltre la portata delle macchine tradizionali.
La hardware quantistico deve affrontare un ostacolo importante: i qubit sono fragili, il che introduce tassi di errore elevati, limitando i sistemi attuali a problemi relativamente di piccole dimensioni. Tuttavia, i processori quantistici reali potrebbero gestire centinaia di qubit, aumentando notevolmente l'efficienza e l'accuratezza rispetto al limite teorico di circa 50-60 qubit del supercomputer Frontier.
Il framework proposto da ORNL sottolinea la modularità, garantendo che i futuri breakthrough possano essere integrati senza costringere i ricercatori a ripartire da zero. Non esiste ancora uno standard per la hardware quantistica, con ricercatori in tutto il mondo che sperimentano diversi approcci utilizzando atomi neutri, superconduttori, ioni intrappolati e molto altro. L'architettura è progettata tenendo presente questa incertezza, con l'obiettivo di evolversi man mano che le nuove soluzioni hardware quantistiche maturano, garantendo la viabilità a lungo termine anche mentre la tecnologia quantistica subisce rapide trasformazioni.
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