null Suurtehokvanttilaskenta – lähentymistä luvassa

Kuvaus LUMI-Q -konseptista, jossa useita erilaisia kvanttitietokoneita on yhdistetty LUMIn supertietokone-ekosysteemiin.

Suurtehokvanttilaskenta – lähentymistä luvassa

Toissa viikolla julkaistiin LUMI-supertietokoneen tekniset tiedot: LUMI on Euroopan johtava supertietokonekeskittymä, käynnistyessään ensi vuoden puolivälissä. Tällä viikolla vietetään Euroopan kvanttiviikkoa. Asioilla on yhteys.

Yli 550:n petaflopin voimalla, LUMI on nopeampi kuin nykyinen maailman ykkönen, ja tulee käynnistyessään olemaan selkeä Euroopan mestari. Vieläkin kiehtovampaa on kuitenkin se, että kaikki nämä petaflopit toimivat 100-prosenttisesti uusiutuvan energian voimalla, jopa hiilinegatiivisesti! Tämä jos mikä on osoitus sekä huipputason insinööritaidosta että maantieteellisestä edusta. Tarvitsemme nyt tietokoneiden apua enemmän kuin koskaan yhteiskunnan kiireellisimpien ongelmien ratkaisemiseksi. Myös supertietokoneiden on kuitenkin toimittava mahdollisimman pienellä hiilijalanjäljellä, jotta niiden käyttö ei pahentaisi tilannetta. Palveluntarjoajina vastuullamme on isännöidä vihreitä palvelinkeskuksia, ei vuosikymmenen päästä, vaan jo tänään.

LUMI loistaa myös Euroopan kattavan yhteistyön saralla. LUMI on kymmenen eurooppalaisen maan yhteinen ponnistus, jota tukee koko eurooppalainen suurteholaskennan yhteisö EuroHPC-ohjelman kautta.

Suurteholaskennan huippuosaamiskeskittymä

Tästä pääsemme tämän viikon aiheeseen, kvanttiteknologioihin ja suurteholaskennan (High-Performance Computing, HPC) kytkökseen. Kvanttilaskenta on tulevaisuuden HPC-ekosysteemien kulmakivi. Missä perinteiset tietokoneet perustuvat klassisiin bitteihin, nolliin tai ykkösiin, kvanttitietokoneet uuttavat voimansa kvanttibiteistä, eli kubiteista. Yksinkertaistaen, kubitit voivat olla nolla ja yksi ja kaikki siltä väliltä samanaikaisesti. Riittävän kypsä kvanttitietokone voi ratkaista tiettyjä laskennallisia ongelmia, joita ei koskaan pystytä ratkomaan perinteisillä supertietokoneilla. Tämä on mahdollista hyödyntämällä vaistonvastaisia kvanttifysikaalisia ilmiöitä, kuten superpositioita ja lomittumista. Uuden lähestymistavan myötä tieteellisten ja kaupallisten läpimurtojen mahdollisuus on valtava.

Paljon työtä on kuitenkin vielä edessä, ennen kuin kvanttilaskenta voi kilpailla perinteisten tietotekniikoiden kanssa, tai edes täydentää niitä onnistuneesti. Tällä hetkellä ei ole vielä edes selvää, mitä valmistustapaa tulisi käyttää kubittien tuottamiseen. Kaksi lupaavaa kubitti-toteutusta perustuvat ioniloukkuihin ja suprajohtaviin piireihin. Tällä hetkellä suprajohtavat kvanttikoneet johtavat kubitti-kilpailua Googlen Bristlecone (72) sekä Sycamore (53) ja IBM: n Hummingbird (65) etunenässä. Vuosi sitten Sycamorella osoitettiin nk. ”kvanttiherruus”, jolloin kvanttitietokone ratkoi tietyn ongelman huomattavasti tavallista supertietokonetta tehokkaammin. IBM ennustaa saavuttavansa 100+ kubittia ensi vuonna ja 400+ kubittia vuonna 2022. Kilpailu on vasta aluillaan!

Teknologioilla on toisiaan täydentäviä ominaisuuksia. Ioneilla on pisimmät kvanttikoherenssiajat, kun taas suprajohtavat piirit ovat nopeampia. Ioneihin perustuvat kubitit ovat jonkin verran vähemmän virheherkkiä, kun taas suprajohtavat piirit perustuvat vakiintuneeseen tuotantotekniikkaan. Muilla kubitti-toteuttamistavoilla, kuten fotoneihin ja neutraaleihin atomeihin perustuvilla tekniikoilla, on myös potentiaalisia etuja ja vastaavia haittoja, kuten esim. suurempi virhesuhde ja hitaampi toiminta. On myös hyvä huomata, että usein mainittu kubittien määrä ei kerro läheskään kaikkea, mm. virheensietokyky on sitäkin merkityksellisempi. Kenttä kehittyy nopeasti ja toistaiseksi mikään yksittäinen tekniikka ei ole selkeästi parempi; kaikki tarvitsevat vielä jatkojalostusta. Tämän monimuotoisuuden vuoksi meidän on keskityttävä moneen erilaiseen toteutustapaan samanaikaisesti, jotta voimme edistää kvanttitekniikkaa tarkoituksenmukaisesti ja tukea varhaista käyttöönottoa loppukäyttäjien kesken. Kattavat alustat, jotka mahdollistavat laajan kokeilun ja integroituvat perinteisiin järjestelmiin ovat tässä keskeisessä asemassa.

LUMI-konsortio on yhdistänyt paikallisia korkean teknologian osaamiskeskuksia ympäri Euroopan, ei ainoastaan perinteisen suurteholaskennan, vaan myös kvanttiteknologioiden osalta. Verkosto laajenee nopeasti uusien akateemisten, julkisten ja teollisten yhteisöjen suuntaan. Viime kuussa työ ioniloukkujen mittaustekniikan parissa, joka suoritettiin ETH Zürichissä Sveitsissä, julkaistiin arvostetussa Nature-lehdessä [1]. Myös viime kuussa ja Nature-lehdessä, Aalto-yliopisto, VTT ja IQM kertoivat [2] grafeeniin perustuvasta bolometristä, joka lupaa hyvää tuleville suprajohtaville kvanttipiireille. IQM on kasvava yritys, joka kehittää mm. analogi/digitaali-kvanttitietokoneita Espoossa ja Münchenissä. Belgian Hasseltin yliopistossa Science-lehdessä julkaistussa tutkimuksessa tarkasteltiin puolestaan spin-tilamittauksia typpiaukoissa ja hahmotellaan, kuinka teknisesti vähemmän vaativia lähestymistapoja voitaisiin yhdistää olemassa olevaan nanoelektroniikkaan. Kaikki nämä esimerkkiläpimurrot tasoittavat tietä todella skaalautuville kvanttitietokoneille.

Klassisen ja kvanttimaailman yhdistyminen

Tästä tulemme lähentymiseen ja synergiaan. Kvanttitietokoneet eivät korvaa perinteisiä supertietokoneita. Sen sijaan niistä tulee erottamaton osa supertietokoneratkaisuja. Tämä yhdistetty HPC+QC- tai HPQC-lähestymistapa tulee olemaan se, missä reaalimaailman sovellukset löytävät kvanttietunsa. Pilvessä, luonnollisesti, missä me CSC:llä olemme isännöineet laskentapalvelujamme jo viiden vuosikymmenen ajan.

Nopean, vikasietoisen kvanttitietokoneen rakentaminen on vain yksi osa lopullista yhtälöä. Kvanttitietokoneen hyödyntämiseksi on löydettävä hyödyllisiä algoritmeja ja kehitettävä käyttökelpoiset ohjelmointityökalut. Tämä edellyttää koordinoitua integrointityötä ja osaamista sekä uudesta kvanttialgoritmikehityksestä että perinteisestä rinnakkaisohjelmoinnista. Kaikki tarvittava osaaminen on käytettävissä laajennetun LUMI-yhteistyön puitteissa. Lisäksi kvanttitietokoneet on sovitettava todella tehokkaaseen laskentaympäristöön. Tätä tarkoitusta varten LUMI on vertaansa vailla sekä joustavuuden että raa’an laskentatehon mittareilla. HPC-ekosysteemi on paikallaan, nyt on aika hyödyntää sitä täysillä!

Todelliseen kvanttietuun suurteholaskennan osalta on vielä jonkin verran matkaa. Tämä ei kuitenkaan ole mikään syy jarrutella. Meidän on kannustettava kaikkia kvanttikuskejamme rallivauhtiin, jotta saavutamme ensimmäiset reaalimaailman sovellukset mahdollisimman pian. Lykkääminen ja poteroituminen ei ole vaihtoehto: jokainen vuosi, jonka voimme odotusaikaa lyhentää on tärkeä. Sillä siinä vaiheessa, kun kvanttietu viimein saavutetaan, se kasvaa räjähdysmäisesti. Huomioidaan, että jokainen korkealaatuinen ja skaalautuva lisäkubitti tuplaa kvanttitietokoneen suorituskyvyn! 101-kubittinen laite on kaksi kertaa tehokkaampi kuin 100-kubittinen laite; tuhannen kubitin laite ratkoo jo joitakin hyödyllisiä ongelmia, joita ei edes LUMI itsessään pysty ratkaisemaan.

LUMI yhdisti HPC-asiantuntemusta poikkeuksellisella tavalla. On korkea aika tehdä sama eurooppalaisen kvanttiosaamisen alalla!

 

Kiitokset

Kiitokset innostavista kommenteista: Prof. Jonathan Home (ETH Zürich), FT Pekka Manninen (CSC), Prof. Milos Nesladek (U Hasselt), TkT Pekka Pursula (VTT), Prof. Martin Schulz (TU München), Prof. Göran Wendin (Chalmers) ja FT Joanna Johansson (Viessmann Refrigeration Systems).

Viitteet

  1. https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2020/10/optische-verdrahtung-fuer-grosse-quantencomputer.html
  2. https://www.csc.fi/-/rajapyykki-saavutettu-uusi-s%C3%A4teilyilmaisin-on-riitt%C3%A4v%C3%A4n-nopea-kvanttitietokoneisiin
  3. https://physicsworld.com/a/diamond-spins-come-into-focus-using-new-measurement-technique/

 

Lisätietoa

 

Juttu on alunperin julkaistu englanniksi osoitteessa www.lumi-supercomputer.eu. / English translation available on LUMI's website.

Lisää tästä aiheesta » Siirry sisältöihin ja uutisiin »

Mikael Johansson

Kirjoittaja tutkailee ja mahdollista kvanttiteknologioita CSC:llä.