Juntas, a Universidade de Innsbruck e a spin-off AQT integraram um computador quântico em um ambiente de computação de alto desempenho (HPC) pela primeira vez na Áustria. Este híbrido de supercomputador e computador quântico permite a solução de tarefas complexas em química, ciência de materiais ou otimização e já está sendo testado por usuários em pesquisa e indústria.
A demanda por poder de computação está aumentando constantemente e o consumo de recursos para dar suporte a esses cálculos continua a aumentar. A frequência de clock dos processadores em computadores clássicos, normalmente alguns GHz, parece ter atingido seu limite. As melhorias de desempenho nos últimos dez anos se concentraram principalmente na paralelização de tarefas usando sistemas multinúcleo operados em centros de HPC na forma de clusters de computação multinó em rede rápida. No entanto, o poder de computação só aumenta aproximadamente linearmente com o número de nós. Em vez de se concentrar em uma configuração homogênea de nós idênticos, o desenvolvimento mudou para a operação de sistemas heterogêneos consistindo em vários nós ou aceleradores especializados, como GPUs ou NPUs, cada um otimizado para um cálculo específico. “Com o advento dos computadores quânticos e sua capacidade de resolver certos problemas em química ou ciência de materiais muito mais rápido do que é classicamente possível, os aceleradores quânticos para computadores HPC são uma possibilidade nova e muito empolgante”, diz o físico quântico Thomas Monz, professor assistente na Universidade de Innsbruck e CEO do spin-off AQT.
Como parte do projeto HPQC financiado pela FFG, pesquisadores e desenvolvedores da Universidade de Innsbruck estão investigando a integração de um computador quântico em um ambiente HPC. Com base em interfaces padronizadas para computadores quânticos, a equipe de Innsbruck conseguiu conectar o cluster de computação LEO5 operado pela universidade com o computador quântico IBEX Q1 da AQT. O trabalho correspondente forma a base para futuras pesquisas e trabalhos de desenvolvimento em soluções baseadas em quantum em infraestruturas heterogêneas.
“A integração bem-sucedida de um computador quântico em um ambiente de computação de alto desempenho marca um marco significativo para a pesquisa e o desenvolvimento tecnológico austríaco e europeu. Isso abre possibilidades completamente novas para dominar desafios científicos e industriais complexos e moldar o futuro da computação. Este projeto demonstra de forma impressionante a força inovadora e a liderança tecnológica que podemos alcançar em nosso país e mostra o enorme potencial e independência da UE em tecnologias quânticas. A FFG tem orgulho de apoiar este desenvolvimento pioneiro”, diz Henrietta Egerth, Diretora Geral da FFG.
Supercomputador híbrido em uso em pesquisa e ensino
O supercomputador híbrido está sendo operado e expandido atualmente como parte do projeto HPQC, com foco na demonstração de soluções quânticas híbridas. Parceiros do consórcio como a Math.Tec GmbH em Viena ou o grupo de pesquisa liderado pela Prof. Ivona Brandic na TU Wien podem acessar diretamente esta estrutura híbrida HPC-QC e realizar cálculos. O consórcio é baseado em gerenciamento padronizado de recursos e usuários, o que significa que significativamente mais usuários podem se beneficiar da infraestrutura em Innsbruck. Além de pesquisa e desenvolvimento, as soluções oferecidas também serão usadas em cursos nas áreas de ciência da computação, física e química para treinar uma nova geração de pesquisadores e engenheiros com conhecimento quântico.
“Como parte do projeto HPQC, temos fácil acesso à infraestrutura HPC de Innsbruck. Nossos funcionários podem realizar cálculos na infraestrutura híbrida e pesquisar novas soluções para problemas logísticos. A Dra. Angelika Widl, uma de nossas pesquisadoras, busca regularmente abordagens inexploradas graças às possibilidades inimagináveis em Innsbruck”, explica Karl Knall, Diretor Executivo da Math.Tec GmbH, parceira no projeto HPQC.
“Os computadores quânticos seguem novos paradigmas computacionais e, portanto, oferecem novas soluções – algumas delas superando os melhores algoritmos clássicos. No entanto, a integração desses aceleradores na infraestrutura de computação clássica e a busca por soluções híbridas que combinem o melhor dos dois mundos é uma área inexplorada. O projeto HPQC nos oferece a oportunidade de avançar a pesquisa e o desenvolvimento nesta área científica e economicamente interessante”, diz Ivona Brandic, Líder de Grupo para Sistemas de Computação de Alto Desempenho na TU Wien.
Processadores quânticos como aceleradores para infraestruturas de computação clássicas
Os clusters HPC tradicionais geralmente são instalados em racks de servidores padronizados. Embora esses dispositivos ofereçam incrível poder de computação, certos problemas na natureza, especialmente aqueles que precisam ser descritos usando mecânica quântica, escalam tão desfavoravelmente que só podem ser resolvidos aproximadamente ou não podem ser resolvidos. Esses problemas incluem a compreensão da supercondutividade em temperatura ambiente, que – uma vez que se torne tecnicamente viável – deve revolucionar todas as áreas da eletrônica; outras aplicações incluem processos químicos, como fixação de nitrogênio para desenvolver fertilizantes com eficiência energética e de custo ou sequestro de carbono para combater as mudanças climáticas. Embora haja um número crescente de computadores quânticos de prova de conceito em estágio experimental, a AQT desenvolveu o primeiro computador quântico compatível com rack. A integração de computadores quânticos na infraestrutura HPC oferece o melhor dos dois mundos: acesso à capacidade de computação classicamente excelente emparelhada com aceleração para classes específicas de problemas. O desafio é equilibrar a carga de trabalho entre essas duas abordagens computacionais completamente diferentes – que parte de um problema computacional é melhor tratada em um computador clássico e em que ponto a computação deve ser transferida para o processador quântico? As interfaces entre a infraestrutura clássica e quântica agora permitem que os pesquisadores explorem, adaptem e expandam criativamente a interação entre o hardware clássico e quântico.
