Квантові обчислення не конкурують із штучним інтелектом і високопродуктивними обчисленнями, а поєднуються з ними… Ключ до масового впровадження — у програмному забезпеченні

Деякі аналізи вказують, що квантові обчислення, штучний інтелект і високопродуктивні обчислення (HPC) не є взаємною конкуренцією “з zero-sum”, а швидше стають “комплементарними”, які при спільному використанні можуть максимально ефективно проявляти свої можливості. Однак у галузі загалом вважають, що середовище розробки все ще знаходиться на початковій стадії, і поширення квантових технологій, а також покращення доступності програмного забезпечення вважаються ключовими завданнями.

У рамках заходу HPE World Quantum Day у діалозі з theCUBE, Дейв Белланті діагностував, що поєднання CPU, GPU та квантових процесорів (QPU) для вирішення раніше нерозв’язних задач стане ядром наступного покоління технологічних інновацій. Пол Гіллін також підкреслив, що на даний момент розробка квантового програмного забезпечення фактично перебуває у “первісній” стадії, і потрібне стандартне середовище розробки, яке будь-хто зможе легко освоїти, наприклад, “квантовий Python”.

У короткостроковій перспективі відіграватиме роль “прискорювача” для існуючих суперкомп’ютерів

Експерти вважають, що короткостроковий ефект квантових обчислень полягає не у заміщенні існуючих робочих процесів, а у тому, що вони спершу зможуть швидше виконувати частину обчислень, які обробляє суперкомп’ютер, виконуючи роль “прискорювача”. Том Бек з Національної лабораторії Оак-Рідж у США пояснив, що поєднання квантових комп’ютерів із HPC, де частина обчислень виконується існуючими системами, а найскладніші у квантовій сфері — квантовими пристроями, є реалістичним шляхом.

Ключовим є швидкість і ефективність передачі інформації між двома системами. Це означає, що квантові обчислення не змінять одразу всі обчислювальні середовища, а швидше увійдуть у сферу застосувань у корпоративних рішеннях у вигляді гібридної архітектури, яка точно відповідає певним задачам.

Національна лабораторія Аргонн також працює у галузі хімії та матеріалознавства, прагнучи інтегрувати квантові обчислення у реальні дослідницькі процеси. Лора Шульц пояснила, що у традиційному HPC-середовищі для моделювання квантовомеханічних явищ потрібно використовувати симуляції, тоді як квантові обчислення можуть більш безпосередньо працювати з цими питаннями. Структура така: квантові пристрої відповідають за обчислення у певних ділянках, а результати передаються назад у симуляційні системи на базі суперкомп’ютерів для завершення решти роботи.

Перешкоди поширенню — не у апаратному забезпеченні, а у “інженерії” та програмному стеку

Квантові обчислення мають потенціал для обробки масштабних і складних задач, таких як відстеження поведінки нейтрино, і можуть перевищувати можливості існуючих суперкомп’ютерів. Також обговорюється їхній потенціал у логістичній оптимізації або розробці нових ліків. Однак через фізичні обмеження та інженерні труднощі швидкість їхнього поширення значно повільніша за очікувану.

Крісті Бек з Ліверморської національної лабораторії зазначила, що у хімічних задачах, що лежать в основі взаємодії ліків, очікуваний ефект квантових технологій є значним, але сама проблема надто складна, тому комерційні результати можуть з’явитися пізніше, ніж у логістиці.

Амір Шехата з Національної лабораторії Оак-Рідж пояснив, що для підвищення доступності квантових технологій потрібно переосмислити весь технічний стек. Особливо — квантові біти, оскільки їхні умови роботи значно залежать від апаратної реалізації. Надкритичні умови для надпровідних бітів мають короткий термін служби і швидко деградують, вимагаючи точного контролю часу; нейтрально-атоматичні біти мають інші обмеження. Це означає, що кінцеве програмне забезпечення для квантових обчислень має враховувати всі ці різні вимоги до апаратного забезпечення.

Він додав, що нова інфраструктура квантового ПЗ, ймовірно, не складатиметься лише з незнайомих технологій, а використовуватиме вже знайомі обчислювальні ресурси, наприклад, так само, як і GPU. Це свідчить про те, що поширення квантових обчислень може йти шляхом, що тісно пов’язаний із існуючою екосистемою AI-HPC, а не відокремлюватися від неї.

Ключове питання — “коли і які задачі передавати квантовому процесору”

Також існує думка, що справжня цінність квантових обчислень полягає не у тому, щоб вирішувати всі задачі, а у тому, щоб у потрібний момент делегувати найвідповідальніші обчислення. Завдяки явищам суперпозиції та заплутаності, квантові біти можуть демонструвати переваги у складних математичних задачах, що вимагають одночасного розгляду багатьох рішень.

Мікаель Йоханссон із фінського Центру IT для “зеленого переходу” навів приклад, що у розробці більш ефективних каталізаторів, нових батарей і магнітів квантові обчислення можуть відігравати важливу роль. Це означає, що у сферах енергетичного переходу та розробки передових матеріалів потенціал застосування квантових технологій є дуже великим.

Однак Дітер Кранцмюллер із Лейбніцського суперкомп’ютерного центру підкреслює, що квантові комп’ютери не замінять суперкомп’ютери. Він пояснив, що більш реалістичним є створення інтегрованої системи, яка автоматично класифікує задачі і відправляє частину обчислень до суперкомп’ютерів, а інші — до квантових пристроїв.

У Першіському центрі суперкомп’ютерних досліджень в Австралії також реалізується проект “Setonix-Q”, щоб дослідники могли проводити квантово-механічні експерименти. Паскаль Елахі зазначив, що мета полягає не лише у підтримці квантових дослідників, а й у розширенні доступу для користувачів, які прагнуть вирішувати практичні задачі.

Хоча квантові обчислення ще не досягли широкого поширення, вони швидко розвиваються у напрямку інтеграції з AI і HPC, а не їхньої заміни, відкриваючи нові можливості для галузі. Врешті-решт, переломний момент може полягати не у більш потужному апаратному забезпеченні, а у швидкому створенні зручних для розробників і дослідників програмних середовищ та інфраструктури.