Quantum Integration Software Suite For HPC-Quantum Computing Workflows
यह शोध पत्र क्वांटम असेंबली कंपाइलर (QASC) और प्रदर्शन मॉडलिंग टूल QACC-perf को प्रस्तुत करता है ताकि उच्च-प्रदर्शन कंप्यूटिंग को क्वांटम कंप्यूटिंग के साथ एकीकृत करने की चुनौतियों का समाधान किया जा सके, और ChemShell वातावरण में मल्टीस्केल क्वांटम केमिस्ट्री वर्कफ़्लो के माध्यम से उनकी उपयोगिता को प्रदर्शित किया जा सके।
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कंप्यूटिंग की दुनिया वर्तमान में एक चौराहे पर खड़ी है। एक तरफ क्लासिकल सुपरकंप्यूटरों का परिचित परिदृश्य है, जो अरबों छोटे, क्रमिक चरणों में तोड़कर जटिल समस्याओं को हल करने वाली विशाल मशीनें हैं। दूसरी ओर क्वांटम कंप्यूटिंग की उभरती हुई सीमा है, जो सूचनाओं को मौलिक रूप से अलग तरीकों से संसाधित करने के लिए उप-परमाणु भौतिकी के विचित्र नियमों का उपयोग करती है। जबकि क्लासिकल कंप्यूटर कई कार्यों में उत्कृष्ट हैं, वे विशिष्ट प्रकार की समस्याओं के साथ संघर्ष करते हैं, जैसे कि दवा की खोज के लिए अणुओं के व्यवहार का अनुकरण करना या विशाल लॉजिस्टिक नेटवर्क को अनुकूलित करना। क्वांटम कंप्यूटर इन विशिष्ट समस्याओं को बहुत तेज़ी से हल करने का वादा करते हैं, लेकिन वे अभी तक क्लासिकल मशीनों को बदलने के लिए तैयार नहीं हैं। इसके बजाय, सबसे व्यावहारिक मार्ग एक साझेदारी है: एक हाइब्रिड सिस्टम जहाँ एक क्लासिकल सुपरकंप्यूटर डेटा प्रबंधन और तर्क (लॉजिक) के भारी काम को संभालता है, जबकि एक क्वांटम प्रोसेसर उन विशिष्ट, कठिन गणनाओं को निपटाता है जो क्लासिकल मशीनों की पहुंच से बाहर हैं। वैज्ञानिकों के लिए चुनौती यह पता लगाना है कि इन दो बहुत अलग दुनियाओं को कुशलतापूर्वक कैसे जोड़ा जाए, यह सुनिश्चित करते हुए कि उनके बीच डेटा स्थानांतरित करने में बिताया गया समय उस गति लाभ को समाप्त न कर दे जो क्वांटम कंप्यूटर प्रदान करता है।
हाल ही में एक अध्ययन में, यूनाइटेड किंगडम के साइंस एंड टेक्नोलॉजी फैसिलिटीज काउंसिल के शोधकर्ताओं ने सॉफ्टवेयर टूल्स का एक नया सेट बनाया है जिसे इस अंतर को पाटने के लिए डिज़ाइन किया गया है। उनका कार्य एक निर्बाध वर्कफ़्लो बनाने पर केंद्रित है जो क्लासिकल सुपरकंप्यूटरों को क्वांटम प्रोसेसर के साथ संवाद करने की अनुमति देता है, या कम से कम उच्च सटीकता के साथ उस संवाद का अनुकरण करता है। टीम ने दो मुख्य उपकरण पेश किए। पहला एक अनुवादक है, जिसे कंपाइलर कहा जाता है, जो क्वांटम कंप्यूटरों के लिए आधुनिक भाषा में लिखे गए निर्देशों को एक ऐसे प्रारूप में परिवर्तित करता है जिसे एक शक्तिशाली क्लासिकल सिम्युलेटर चला सके। दूसरा उपकरण एक परफॉरमेंस मॉडल है, जो एक प्रकार का डिजिटल क्रिस्टल बॉल है जो यह भविष्यवाणी करता है कि किसी कार्य में कितना समय लगेगा और जब सिस्टम के क्लासिकल और क्वांटम भागों के बीच डेटा ट्रैफ़िक चलता है तो वह कितना होगा। इन उपकरणों को जोड़कर, शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि कैसे वैज्ञानिक महंगे और सीमित वास्तविक दुनिया के क्वांटम हार्डवेयर तक तत्काल, निरंतर पहुंच की आवश्यकता के बिना हाइब्रिड वर्कफ़्लो का परीक्षण और सुधार कर सकते हैं।
इस नए सॉफ्टवेयर सूट का मूल एक कंपाइलर है जिसे OpenQASM 3.0 नामक एक विशिष्ट भाषा को संभालने के लिए डिज़ाइन किया गया है। इस भाषा को एक क्वांटम कंप्यूटर के निर्देश मैनुअल के रूप में समझें। पुराने संस्करणों के मैनुअल काफी सीमित थे; वे सरल चरणों के अनुक्रमों का वर्णन कर सकते थे लेकिन जटिल तर्क, जैसे कि लूप या मध्यवर्ती परिणामों पर निर्भर निर्णय लेने में संघर्ष करते थे। नया संस्करण, OpenQASM 3.0, अधिक परिष्कृत निर्देशों की अनुमति देता है, जिसमें गणना के बीच में ही एक कण को मापने और उस परिणाम के आधार पर अगले चरणों को बदलने की क्षमता शामिल है। हालाँकि, अब तक, ऐसे बहुत कम उपकरण थे जो इन उन्नत निर्देशों को लेने और उन्हें क्लासिकल मशीनों पर कुशलतापूर्वक चलाने में सक्षम थे। शोधकर्ताओं ने अपने कंपाइलर को इसे हल करने के लिए बनाया है। यह जटिल OpenQASM 3.0 फ़ाइल को लेता है और उसे C++ कोड में अनुवादित करता है, जो हाई-परफॉर्मेंस कंप्यूटिंग के लिए एक मानक भाषा है। यह जनरेट किया गया कोड फिर QuEST नामक एक हाई-स्पीड सिम्युलेटर के साथ लिंक किया जाता है, जो एक क्वांटम कंप्यूटर के व्यवहार की बड़ी सटीकता के साथ नकल कर सकता है। परिणाम एक ऐसा सिस्टम है जो क्लासिकल सुपरकंप्यूटर पर जटिल क्वांटम एल्गोरिदम चला सकता है, जिससे शोधकर्ता वास्तविक क्वांटम डिवाइस को छूने से पहले अपने तर्क को सत्यापित और अपने विचारों का परीक्षण कर सकते हैं।
इस सिस्टम को योजना बनाने के लिए वास्तव में उपयोगी बनाने के लिए, टीम ने इन हाइब्रिड वर्कफ़्लो को चलाने की लागत का अनुमान लगाने के लिए एक उपकरण विकसित किया है। जब एक क्लासिकल कंप्यूटर एक क्वांटम प्रोसेसर को कार्य भेजता है, तो डेटा भेजने और परिणाम की प्रतीक्षा करने में एक देरी शामिल होती है। यह देरी, जिसे लेटेंसी (latency) कहा जाता है, और डेटा के चलने की गति, जिसे बैंडविड्थ (bandwidth) कहा जाता है, दोनों प्रणालियों के जुड़ने के तरीके के आधार पर बहुत भिन्न हो सकती है। वे एक ही भौतिक मशीन पर हो सकते हैं, एक ही डेटा सेंटर में अलग-अलग मशीनों पर हो सकते हैं, या क्लाउड सेटअप में इंटरनेट के माध्यम से जुड़े हो सकते हैं। शोधकर्ताओं ने बनाया है एक मॉडल जो क्वांटम सर्किट के आकार और उपयोग किए जा रहे कनेक्शन के प्रकार के आधार पर इन लागतों की गणना करता है। उन्होंने इस मॉडल का परीक्षण रसायन विज्ञान के क्षेत्र के एक यथार्थवादी परिदृश्य का उपयोग करके किया: अणुओं की ग्राउंड स्टेट ऊर्जा की गणना करना। यह रसायनों के व्यवहार को समझने के लिए एक महत्वपूर्ण कार्य है, और यह क्वांटम त्वरण के लिए एक प्रमुख उम्मीदवार है। वर्कफ़्लो में एक क्वांटम सर्किट उत्पन्न करना, उसे कंपाइल करना, परिणामों का अनुकरण करना और ऊर्जा डेटा को एक बड़े रासायनिक सिमुलेशन लूप में वापस फीड करना शामिल था।
उनके परीक्षण के परिणामों ने महत्वपूर्ण विवरण प्रकट किए कि ये हाइब्रिड सिस्टम कैसे व्यवहार करते हैं। जब शोधकर्ताओं ने क्लासिकल और क्वांटम भागों के बीच संबंध का अनुकरण किया, तो उन्होंने पाया कि डेटा संचार करने में लगने वाला समय कार्य के आकार और कंप्यूटरों के बीच की दूरी पर बहुत अधिक निर्भर करता है। छोटे कार्यों के लिए, कंप्यूटरों के एक ही मशीन पर होने बनाम उन्हें इंटरनेट के माध्यम से जोड़ने के बीच का अंतर नाटकीय है। स्थानीय कनेक्शन की तुलना में इंटरनेट कनेक्शन के लिए देरी लगभग दो ऑर्डर ऑफ मैग्नीट्यूड (दो क्रम का अंतर) अधिक थी, जिसका अर्थ है कि प्रतीक्षा समय लगभग सौ गुना अधिक था। हालाँकि, जैसे-जैसे क्वांटम कार्य का आकार बढ़ता गया, स्थानीय और रिमोट कनेक्शन के बीच का अंतर कम होने लगा। ऐसा इसलिए है क्योंकि इंटरनेट पर बड़े डेटा ट्रांसफर को कई छोटे पैकेटों में विभाजित किया जाता है, और इन पैकेटों को नियंत्रित करने वाले नेटवर्क प्रोटोकॉल एक निरंतर ओवरहेड बनाते हैं जो आकार के साथ बहुत अधिक नहीं बदलता है। इन संचार विलंबताओं के बावजूद, शोधकर्ताओं ने पाया कि उनके द्वारा परीक्षण किए गए विशिष्ट केमिस्ट्री एल्गोरिदम के लिए, डेटा के लिए प्रतीक्षा करने में बिताया गया समय मुख्य बाधा (bottleneck) नहीं था। वास्तविक समय की खपत स्वयं गणना और सर्किट को उस प्रारूप में अनुवादित करने में लगने वाला समय था जिसे हार्डवेयर समझ सके।
अध्ययन ने यह भी रेखांकित किया कि सिस्टम को जोड़ने का तरीका छोटे, बार-बार होने वाले कार्यों के लिए सबसे अधिक मायने रखता है। एक ऐसे वर्कफ़्लो में जहाँ एक क्लासिकल कंप्यूटर एक छोटा क्वांटम जॉब भेजता है, उत्तर की प्रतीक्षा करता है, और तुरंत दूसरा भेजता है, वहाँ संचार विलंब पूरी प्रक्रिया पर हावी हो सकता है। यह विशेष रूप से उन एल्गोरिदम के लिए सच है जिन्हें कई बार आगे-पीछे संवाद की आवश्यकता होती है, जैसे कि अणु के लिए सर्वोत्तम विन्यास खोजने के लिए उपयोग किए जाते हैं। इसके विपरीत, इस अध्ययन में उपयोग किया गया एल्गोरिदम, जो एक लंबे, निरंतर गणना को निष्पादित करता है, इन विलंबों के प्रति कम संवेदनशील है। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि क्वांटम निर्देशों को हार्डवेयर द्वारा उपयोग किए जाने योग्य रूप में अनुवादित करने में लगने वाला समय, सिमुलेशन में कणों की संख्या बढ़ने के साथ काफी बढ़ गया। उनके द्वारा परीक्षण किए गए सबसे बड़े अणु के लिए, जिसमें सत्ताइस कण शामिल थे, निर्देशों को तैयार करने में सैकड़ों सेकंड लगे, जबकि वास्तविक निष्पादन समय और भी लंबा था। यह सुझाव देता है कि जैसे-जैसे क्वांटम कंप्यूटर अधिक शक्तिशाली होते जाएंगे और अधिक जटिल समस्याओं को संभालेंगे, अनुवाद सॉफ्टवेयर की दक्षता स्वयं हार्डवेयर की गति जितनी ही महत्वपूर्ण हो जाएगी।
इन उपकरणों को प्रदान करके, शोधकर्ताओं ने वैज्ञानिक समुदाय को पूर्ण क्वांटम हार्डवेयर की प्रतीक्षा किए बिना हाइब्रिड वर्कफ़्लो को डिजाइन और परीक्षण करने का एक तरीका दिया है। उनका कंपाइलर वैज्ञानिकों को मौजूदा सुपरकंप्यूटरों पर आधुनिक क्वांटम निर्देश सेटों की पूरी शक्ति का उपयोग करने की अनुमति देता है, जबकि उनका परफॉरमेंस मॉडल विभिन्न एकीकरण रणनीतियों से जुड़े वास्तविक व्यापार-बंद (trade-offs) का एक यथार्थवादी दृश्य प्रदान करता है। यह कार्य एक व्यावहारिक मार्गदर्शक के रूप में कार्य करता है, जो दिखाता है कि जबकि पूर्ण क्वांटम कंप्यूटर का सपना अभी भी वर्षों दूर है, उपयोगी हाइब्रिड सिस्टम का मार्ग पहले से ही बनाया जा रहा है। ये उपकरण लचीले होने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं, जो विभिन्न प्रकार के क्वांटम हार्डवेयर और विभिन्न वैज्ञानिक समस्याओं के अनुकूल होने में सक्षम हैं, बशर्ते निर्देश मानक प्रारूप का पालन करते हों। जैसे-जैसे यह क्षेत्र आगे बढ़ेगा, इस तरह के सॉफ्टवेयर ब्रिज (सेतु) क्वांटम कंप्यूटिंग की सैद्धांतिक क्षमता को वास्तविक दुनिया की वैज्ञानिक सफलताओं में बदलने के लिए आवश्यक होंगे।
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