L’integrazione di computer quantistici nei sistemi di calcolo ad alte prestazioni

Vi presentiamo oggi una interessante prospettiva sulle motivazioni e le sfide sull’integrazione di computer quantistici con la moderna infrastruttura basata su sistemi di calcolo ad alte prestazioni basati sulla tecnologia HPC (High Performance Computing). Questo articolo prende ispirazione da Quantum Computers for High-Performance Computing di Travis Humbe et. al, apparso su numero di luglio 2023 di IEEE Computing Edge.

In quali ambiti vengono utilizzate queste architetture?

I sistemi di elaborazione quantistica, o computer quantistici, si stanno sviluppando rapidamente. Vengono sfruttati come potenti risolutori per una varietà di calcoli nel mondo reale. Molte delle applicazioni vengono risolte utilizzando i classici sistemi di calcolo ad alte prestazioni (HPC), che negli ultimi anni hanno registrato notevoli progressi, grazie a miglioramenti hardware e software. I sistemi HPC definiscono l’apice dell’informatica moderna attingendo a un’elaborazione massicciamente parallela. Questi sistemi si basano su acceleratori specializzati e reti altamente ottimizzate per il trasferimento di dati. I nodi computazionali sono quindi collegati tra loro da reti con larghezza di banda elevata per supportare attività di elaborazione condivise. I nodi esistenti supportano l’esecuzione parallela di più flussi esecutivi tramite l’elaborazione multi-thread.

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In futuro, i nodi integreranno paradigmi di elaborazione eterogenei, formati da CPU (la classica elaborazione Single Instruction Single Data), unità di elaborazione parallela GPU (Single Instruction Multiple Data, molto usata per la grafica in tempo reale) e dei FPGA, dispositivi caratterizzati da circuiti logici riprogrammabili in base alle esigenze.

Per quanto concerne i computer quantistici, essi rappresentano un grosso passo avanti per la scienza e la tecnologia di calcolo. I computer quantistici contrariamente ai classici computer, elaborano le informazioni in qubit: che possiamo considerare dati alla stregua dello stato quantico di sistemi fisici come atomi, elettroni e fotoni. I sistemi quantistici presentano caratteristiche uniche, e permettono di ridurre drasticamente il tempo computazionale. Solitamente, le architetture basate sul calcolo quantistico trovano la loro applicazione nella risoluzione di problemi di chimica, scienza dei materiali, finanza e crittoanalisi.

Integrazione di computer quantistici in sistemi HPC

L’integrazione del quantum computing in una infrastruttura di elaborazione classica esistente prevede che si dia priorità all’uso dei computer quantistici per affrontare le sfide informatiche esistenti, sfruttando al contempo la vastità di strumenti, sistemi e flussi di lavoro offerti da calcolatori basati su tecnologie HPC.

Gli esperti e i ricercatori nel campo dell’informatica e della fisica stanno esplorando modi per combinare efficacemente queste tecnologie e per sfruttarne tutto il loro potenziale. Ecco quali aspetti stanno considerando:

Una nuova architettura

Per alcuni scenari d’uso è possibile integrare computer quantistici e HPC grazie ad accessi in cloud. La latenza e la non immediatezza di questa integrazione, però non permettono l’uso ad esempio in scenari in tempo reale. Una possibile alternativa, potrebbe essere l’utilizzo di nodi di computazione convenzionali connessi direttamente a unità di elaborazione quantistica (QPU). L’interazione tra i nodi computazionali e le QPU prevedono un’interfaccia in grado di sfruttare connessioni a bassa latenza. Inoltre, è in grado di sostenere calcoli in parallelo e con una capacità di calcolo senza precedenti.

Nel cuore di questa integrazione ci sono gli FPGA. Essi fungono da intermediari, facilitando la comunicazione tra sistemi di calcolo ad alte prestazioni e QPU. Questi dispositivi, vista la loro natura programmabile, sono in grado di gestire rapidamente istruzioni quantistiche e ridurre i potenziali colli di bottiglia; consentendo una transizione fluida tra le due piattaforme.

Nuovi modelli di programmazione

Integrare due tecnologie diverse richiede una profonda riflessione sui modelli di programmazione. Mentre per i sistemi di calcolo tradizionali sono disponibili ricchi ecosistemi di strumenti e librerie, le piattaforme quantistiche di oggi hanno a disposizione solo linguaggi e protocolli appositi. La creazione di una struttura software che unisca questi due mondi così differenti richiede estensibilità e modularità. L’adattamento delle applicazioni potrebbe essere non immediato a causa delle differenze dei due sistemi. Potrebbe essere necessario, per alcuni applicativi. una significativa re-ingegnerizzazione. La soluzione potrebbe risiedere in un approccio agnostico: scomporre il software in interfacce estensibili, capaci di gestire sia la programmazione quantistica sia quella classica. Strumenti come Python, Java e C++ saranno fondamentali in questo contesto.

Sfide imminenti e future per questa unione

Nonostante l’entusiasmo, ci sono molte sfide da affrontare. Tra queste, migliorare la coerenza e la fedeltà del qubit, sviluppare nuovi standard di comunicazione efficienti e creare interfacce flessibili. Inoltre, mentre i computer quantistici fanno progressi, la computazione classica continuerà a evolversi, rendendo l’integrazione un obbiettivo mobile.

Il futuro dell’informatica potrebbe essere definito dalla sinergia di questi due mondi, quantum computing e i tradizionali sistemi di calcolo potranno costituire un unico strumento per innovare. Le ricompense da questo successo saranno molto significative a tutti i livelli, permettendo di ridefinire i confini dell’informatica moderna.

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