量子コンピューティングとHPCの統合の現状は？ 何に役立つ？

John Russell　オリジナル記事「What’s the Status of Quantum-HPC Integration? What’s it Good for?」

これらの質問に対する完全な答えはまだ誰も知らないが、SC24のパネルの1つ「HPCと量子コンピューティングの出会い：アプリケーションがいつ、どのように恩恵を受けるか？そして、それはどのアプリケーションか？」は、非常に興味深い内容であった。パシフィック・ノースウエスト国立研究所（PNNL）、ライプニッツ・スーパーコンピューティング・センター（LRZ）、GENCI、ミュンヘン工科大学（TUM）の代表者らは、ハイブリッド量子-HPCシステムの実現に向けた各組織の取り組みや、有用なアプリケーションの定義について掘り下げた。

パネルの説明では、「対象となる問題に対する量子コンピュータの潜在的な計算能力は一般的に知られているが、HPCとQCリソースを同時に活用する具体的なアプリケーションのユースケースはまだまれである」と指摘している。この厳しい真実はパネル全体を通して依然として真実であったが、主要な公共および民間研究所で進行中の作業の規模は、わずかなサンプルであっても、心強いものである。

実際、2年前の同様のSCパネルでは、量子コンピューティングとHPCシステムの統合にはまだ何年もかかると示唆されていた。少なくとも1人のパネリストは、QCの取り組みがHPCに必要な作業を妨げていると疑問を呈し、不満を漏らしていた。（HPCwireの報道記事「量子コンピューティング – 私たちはまだそこに（あるいはそれに近い）のか？いいえ、パネルはそう言っていません」を参照）

今年描かれた絵は、まったく異なるものだった。依然として慎重ではあるが、進行中の活動と進歩のレベルは顕著であった。あるパネリストは、電気自動車の充電スケジュール作成におけるハイパフォーマンスコンピューティング（HPC）と品質管理（QC）の融合アプローチの初期結果について議論した。まだなのか、いや、かなり近づいている。おそらく、と多くのオブザーバーが考えている。

パネリストには、Pawseyスーパーコンピューティングセンターのマーク・スティッケルズ氏の代理として参加したTUMの研究者、ルーカス・バーゴルツァー氏、GENCIの量子コンピューティングプロジェクトエンジニア、フェリックス・ジボワ氏、PNNLの物理・計算科学局シニアコンピューター科学者、アン・リー氏、LRZの量子コンピューティング・テクノロジー部門責任者、ローラ・シュルツ氏が含まれた。DTUの並列コンピューターアーキテクチャ准教授、スヴェン・カールソン氏が司会を務めた。

議論の口火を切って、カールソン氏は次のように述べた。「ご存知のように、量子コンピュータと量子システムが立ち上がっています。データセンターに設置されており、現在、これらのマシンを取り巻くエコシステムが比較的活発に開発されております。また、マシンへのさまざまな形態でのアクセスに対する需要が高まっていることも見て取れます。設置されているマシンを見ると、いずれもかなりの規模のHPCリソースに接続されているか、さまざまな規模のHPCリソースに接続されています。そして、すべてのアプリケーションがHPCコンポーネントと量子コンポーネントの両方を活用し、本質的には量子コンピュータをアクセラレータとして使用すると、私たちは確信しています。」

「では、なぜこのパネルを招集したのか？ 繰り返しにになりますが、私たちはシステムを既に持っています。 量子システムには性能向上の可能性が十分にあります。 これについては誰もが同意していると思います。 問題は、実際のアプリケーションにおいて、この性能向上の可能性をどのように活用するかということです。 実生活に役立つアプリケーションにどのような恩恵をもたらすか。 私たちはどのように取り組むべきか。 HPC側で何をすべきか。 量子側で何をすべきか。 そして、今こそこの問題について話し合うのに最もふさわしい時だと私たちは考えています」とカールソン氏は述べた。

パネリストには、自己紹介と各自の所属機関におけるQC-HPC統合の取り組みについて紹介するよう求められた。カールソン氏は5分間の制限時間をうまく守り、パネリストの回答は充実したものだった。その後、会場からの質問を受け付けた。質問はセッション開始から20分後に始まり、その後1時間ほど途切れることなく続いた。これは、聴衆の関心の高さを示すものかもしれない。SCSはセッションを録画し、会議終了後に広く公開する予定である。

以下に、各パネリストの紹介コメントの一部を掲載する（軽い編集を加えているが、文字化けしている箇所があれば申し訳ない）。なぜなら、そこには実際の取り組みの規模が示されているからだ。

フェリックス・ジボワ氏、GENCI

	フェリックス・ジボワ氏、GENCI

「ご存じない方のために説明すると、GENCIはフランスにある民間企業で、国家HPC戦略、AI戦略、そして最近ではハイブリッドHPC量子戦略の実施を担当しています。 ですから、私たちはHQIと呼ばれるイニシアティブに関わっています。HQIは、フランスのハイブリッドHPC-QCイニシアティブの略で、フランスの学術研究と産業研究のさまざまな関係者が集まるコンソーシアムです。[このプログラムには2つの部分がある。] 量子コンピュータを購入し、データセンターに設置する調達部分があります。また、システムを（HPCと）統合する方法や、いくつかのユースケースを対象とした研究プログラムもあります。」

「私たちは、パスカルのニュートラルアトムコンピュータを設置するプロジェクトから始めました。これは、私たちがアナログ量子コンピュータと呼んでいるものです。あらゆるプログラムを解く量子コンピューターではありませんが、最大独立集合と呼ばれる1つの問題を解くには非常に優れています。その後、汎用量子コンピューターの導入も行っています。EuroHPC共同事業体と提携し、EuroQCSで求められている光子技術を使用しています。将来的には、さらに多くのQPUの導入も目指しています。」

 

「最初の部分では、システムをソフトウェアやハードウェアの観点から可能な限り統合する方法について説明します。私たちは、データセンターで統合された連合図書館を構築することを目指しています。また、最適化や量子化学など、さまざまな対象をターゲットとしたユースケースについても多くの作業が行われています。最後の部分は、より未来志向で、量子エラー訂正とエラー緩和、そして小規模なユースケースに向けられています。」

「現在、フランスの電力会社EDFと、システムを提供するPasqal社との提携により、ネットワーク化されたマシン上で実施されているユースケースが存在します。これはスマート充電に関するユースケースです。つまり、車両の群れがあり、電源の電力配分を最適化したいとします。この車両群から充電スケジュールを組み立て、そのスケジュールにいくつかの矛盾があることが分かります。この情報からグラフを作成し、基本的にタスクを最適化することができます。この車両群の充電を最適化することは、このグラフ上の最大独立集合を解くことになり、これはPasqalマシンが解く問題です。このユースケースは実際に素晴らしい成果をもたらしており、現時点では100台の車両で実際に作業を行うことに成功しています。この規模を拡大するのは難しい面があります。車両の台数を2倍にすると指数関数的に増加するからです。」

 

アン・リー氏、PNNL

	アン・リー氏、PNNL

「私はパシフィック・ノースウェスト国立研究所のコンピューター科学者です。私たちは米国の北西部に位置しています。私は2016年以降、ヨーロッパとアジアで博士号を取得しており、専門はGPUとHPCです。2018年から量子コンピューティングの研究を始めました。通常はHPCに関する論文を発表しており、最近では量子コンピューティングの研究に関連したコンピュータアーキテクチャに関する論文も増えてきています。 主に国立量子イニシアティブセンターにおける複数のDoEプロジェクトに関与し、コミュニティ向けのツールを開発してきました。 量子コンピューティングの研究には主に量子コンピュータを使用しており、2つの次元、スタックとスケーリングに焦点を当てています。 アプリケーションに関しては、化学、気候、電力料金、原子力といった種類のアプリケーション向けの量子ソルバーに重点を置いています。」

「デバイス側では、NISQ（近未来の中規模量子）とFTQC（耐故障量子コンピューティング）の実際の量子デバイスに、私たちの回路をマッピングしようとしています。また、ラボとしてローカルなテストベッドの構築も試みています。プロセッサのサイズに関しては、現時点では量子コンピューティングは完全ではないと考えています。量子ビットレジスタだけが存在し、現在は、量子ビットレジスタからメモリと相互接続機能を備えた実際の量子プロセッサへと移行する段階にありますが、将来的には量子プロセッサを複数台使用し、量子ハイパフォーマンス、量子クラスタへと拡張していくことを目指しています。」

 

「ハイブリッドHPC-量子コンピューティングのユースケース、つまり、私たちがターゲットとしている分野は何か（下のスライドを参照）。粒度に応じて、スタックのすべてのレベルでHPCとQCの統合が可能だと考えています。ここではアルゴリズムレベルの4つの例を挙げましたが、同僚は量子化学用の量子フローを開発してくれました（スライド）。HPC側では、古典的コンピューティングでは有効ハミルトニアンの近似形を得るためにダウンフォールディングを行う必要がありますが、量子プロセッサではVQEやその他の量子ソルバーでアクティブ部分空間を解くために並列処理が可能です。スケーリングは、この部分空間探索を並列処理で行うというものです。これがHPCに対する主な要求事項です。」

「回路側では、量子回路カットのための作業量があります。HPCは、最適な切断点を見極める必要があります。また、サブ回路の結果を得た後にテンソルネットワークの統合を行う必要もあります。量子側では、量子がこれらのサブ回路の評価をすべて同時に実行します。また、各サブ回路を並列に実行できるため、マルチノード量子コンピューティングのスケーリングも可能になります。量子エラーの緩和/エラー緩和部分では、量子ビットがベイズネットワークを通じて結果の再分類をやり直します。そのためには多くの古典計算が必要であり、シミュレーションにはクリップに頼っているのです。クリップは古典計算側で効率的に実行できるため、量子ビット技術の拡張に役立ちます。制御部分では、実行時間については古典計算に頼っています。最適な制御とパルス生成を行うのです。」

 

ローラ・シュルツ氏、LRZ

	ローラ・シュルツ氏、LRZ

「現在、私たちの施設には4つの量子システムが導入されています。そのうち3つは超伝導システム、1つはイオン・トラップ・システムです。私たちの使命は、これらのシステムを導入し、ユーザが利用できるようにすることだけではありません。マルチモダリティ型の量子システムをHPCワークフローと運用システムに統合できるようにすることにも重点的に取り組んでいます。私たちはこの作業に約3年間取り組んできました。これには、システムの立ち上げ、施設への統合、そして、当社が「Munich quantum software stack」と呼ぶオープンソースのハイブリッドソフトウェアスタックとの接続確認も含まれます。 当社はすでに数年にわたってこの作業に取り組んでおり、ハイブリッドHPCのユースケースとして、当社が「緊密な統合」と呼ぶものを想定しています。」

「つまり、HPCシステム、量子システムといったシステムが、それぞれ別のネットワーク、別のスペースで別々に動作するのではなく、同じネットワーク上で動作します。つまり、同じ場所に設置される、というように、非常に緊密に統合されたものにしたいと考えています。私たちはこれを同じ施設内に設置し、これらを一緒にすることで、レイテンシを大幅に削減し、2つの間の通信と演算を最大限に高め、全体的なHPCフレームワークのアクセラレータとして活用できるようにしているのです。」

「私たちは、私たちのソフトウェアスタックを使用して、この取り組みを非常に熱心に進めてきました。私たちがこのような取り組みを行っている理由は、HPC-QCアドバンテージと呼んでいる前提から出発しているからなのです。 量子コンピューターが特定のアプリケーションにおいてHPCを凌駕したいという願望があることは承知していますが、最終的にそれが真実となる可能性はあるものの、私たちがより大きな価値を見出しているのは、この2つのシステム、つまりアクセラレーターとホストを一緒に使用することで、一緒に使用しなければ結果を達成できないような方法です。 20量子ビットIQMシステムの初期ユーザは、非常に有望な結果を達成しています。彼はIQMブースでプレゼンテーションを行う予定です。これは量子力学と分子力学のマルチスケールユースケースです。」

ISC24 LRZ Qシステム

 

「化学的手法の中でも量子化学的手法で最高の精度を得るには、スケールアップするにはあまりにも集中的な作業となるため、それは不可能です。しかし同時に、計算しなければならない大規模なシステムがあり、それとやりとりしなければなりません。そこで、量子コンピュータを小規模な精度で使用し、分子力学法で外挿して大規模なスケールにまで拡張し、このプロセスを繰り返し動的に行うことで、このシステム全体を、他に類を見ない精度と新規性をもって研究することが可能になります。」

「これは、現代の創薬パイプラインではかなり一般的です。このユースケースについて特に興味深いのは、量子力学を使用しているだけでなく、このためにハイパフォーマンスコンピューティングを非常に大規模に使用していることです。特に、私たちは LAMMPS を使用しています。ご存知のように、これは利用可能なエクサスケール対応のコードです。そのため、HPCの面で限界を押し広げることができます。量子コンピューティングを独自のマルチスケール機能のアクセラレータとして導入し、それによって素晴らしい結果が得られることを期待しています。」

ルーカス・バーゴルツァー氏、TUM

	ルーカス・バーゴルツァー氏、TUM

「私たちは5年以上前から量子コンピューティング用のソフトウェアに取り組んでおり、Laura、LRZ、Martinとともに、ミュンヘン量子ソフトウェアスタックの構築を試みています。ハードウェアとソフトウェア、そしてアプリケーションを実際に接続しようとしているため、私たちの役割は、アプリケーションをハードウェアに実際に接続する部分、つまりコンパイラやシミュレーションツール、検証ツールを開発し、量子コンピュータ上で実際に何か有用なものを実行するために必要なすべてのツールを開発することです。量子コンピューターで実際に何か有用なものを実行するには、どれだけのツールが必要なのか、量子コンピューターの分野だけでも、どれだけの困難な課題に取り組む必要があるのか、あなたには信じられないでしょう。」

「私はハイパフォーマンスコンピューティングの専門ではありません。専門はコンピュータサイエンスで、少し数学もやりますが、ソフトウェアスタックに沿った多くの問題には、ハイパフォーマンスコンピューティングの専門知識が非常に必要とされていると思います。ですから、私たちがここに座って量子コンピューティングについて話しているという事実だけでも素晴らしいことであり、より多くの人々がこうした重要な問題に取り組むべきです。また、ローラは言及しませんでしたが、私たちはバイエルン州のミュンヘン量子バレー構想の一員でもあります。これは素晴らしい構想です。400人以上の人々が量子コンピューティングの実現を目指しており、個々のマシンの構築から、HPCセンターでのホスティング、ソフトウェアによるギャップの解消、ミュンヘン地域でのアプリケーション開発まで、さまざまな取り組みが行われています。もちろん、ヨーロッパや世界規模での取り組みも行われています。だから、そのイニシアティブの一員になれるのは素晴らしいことなんです。私は代理なので、そろそろ時間切れになると思いますので、ここで話を切り上げ、スヴェンにバトンタッチします。」

セッション全体から読み解くべきことはたくさんある。HPC-QAの利点という考え方を初めて耳にした。これは、一般的に言及される量子優位性とは異なるもので、シュルツ氏が説明している。セッションの全編を視聴または視聴するのが一番だ。