[논문 리뷰] Integration of Quantum Accelerators with High Performance Computing -- A Review of Quantum Programming Tools

Amr Elsharkawy, Xiao-Ting Michelle To외 10명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 12.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 고성능 계산(HPC) 시스템에 통합하기 위한 양자 프로그래밍 도구(QPTs) 평가를 위한 분석 청사진을 제안한다. 주요 초점은 확장성, 툴체인 지원, HPC 전용 성숙도이다. QWIRE, Quil, OpenQASM 3, Qiskit, XACC, OpenQL의 여섯 가지 QPT를 평가한 결과, 기존 도구들은 전체 HPCQC 통합을 부분적으로만 지원하며, 향상된 런타임 및 상호운용성 기능을 갖춘 표준화되고 통합된 툴체인이 필요하다는 점을 시사한다.

ABSTRACT

Quantum computing (QC) introduces a novel mode of computation with the possibility of greater computational power that remains to be exploited - presenting exciting opportunities for high performance computing (HPC) applications. However, recent advancements in the field have made clear that QC does not supplant conventional HPC, but can rather be incorporated into current heterogeneous HPC infrastructures as an additional accelerator, thereby enabling the optimal utilization of both paradigms. The desire for such integration significantly affects the development of software for quantum computers, which in turn influences the necessary software infrastructure. To date, previous review papers have investigated various quantum programming tools (QPTs) (such as languages, libraries, frameworks) in their ability to program, compile, and execute quantum circuits. However, the integration effort with classical HPC frameworks or systems has not been addressed. This study aims to characterize existing QPTs from an HPC perspective, investigating if existing QPTs have the potential to be efficiently integrated with classical computing models and determining where work is still required. This work structures a set of criteria into an analysis blueprint that enables HPC scientists to assess whether a QPT is suitable for the quantum-accelerated classical application at hand.

연구 동기 및 목표

• 고성능 계산(HPC) 시스템과의 통합을 위한 양자 프로그래밍 도구(QPTs)에 대한 체계적인 평가 부족을 해결하기 위해.
• 기존 QPT 리뷰에서 다루지 않은, HPC 통합을 위한 핵심 기준을 특정하기 위해.
• 하이브리드 양자-고전 워크로드에 적합한 QPT의 적합성을 HPC 과학자들이 평가할 수 있도록 구조화된 분석 청사진을 개발하기 위해.
• QWIRE, Quil, OpenQASM 3, Qiskit, XACC, OpenQL의 주요 여섯 가지 QPT를 HPC 통합 요구사항에 따라 평가하기 위해.
• 기존 QPT의 격차를 부각하고, 향상된 런타임 및 상호운용성 지원을 갖춘 표준화된 통합 HPCQC 툴체인이 필요하다고 주장하기 위해.

제안 방법

• 시스템 상호작용의 복잡도가 증가하는 것을 모델링하기 위해 기본부터 완전한 HPCQC 통합까지의 네 가지 통합 시나리오를 제안한다.
• 세 가지 카테고리의 기준 프레임워크를 정의한다: HPC에서의 제품 성숙도(확장성, 툴체인 지원), 상호운용성, 런타임 기능.
• 정의된 기준을 기반으로 QPT를 평가하기 위한 평가 질문의 시리즈를 바탕으로 분석 청사진을 개발한다.
• 청사진을 여섯 가지 QPT에 적용하여, HPC 워크플로우, 컴파일, 실행, 하이브리드 알고리즘 개발 지원 여부를 평가한다.
• QIR(양자 중간 표현)와 같은 신규 표준의 역할을 평가하고, 툴체인을 통합하기 위한 확장된 표준(SQIR)을 주장한다.
• 표준화된 인터페이스를 갖춘 미래의 통합 HPCQC 툴체인을 제안하여, 원활한 통합, 이식성, 벤치마킹을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 고성능 계산(HPC) 인fra구조에 통합하기에 가장 적합한 양자 프로그래밍 도구(QPTs)는 무엇인가?
• RQ2 QPT의 HPCQC(고성능 계산-양자 계산) 통합에 적합성을 결정짓는 주요 기술적 및 아키텍처 기준은 무엇인가?
• RQ3 기존 QPT는 확장성, 툴체인 성숙도, 런타임 효율성 측면에서 하이브리드 양자-고전 워크로드를 얼마나 잘 지원하는가?
• RQ4 전체 규모의 HPCQC 통합을 방해하는 기존 QPT의 주요 격차는 무엇이며, 이를 어떻게 보완할 수 있는가?
• RQ5 다양한 HPC 및 양자 플랫폼 간 상호운용성, 최적화, 벤치마킹을 가능하게 하기 위해 표준화된 통합 툴체인은 어떻게 설계할 수 있는가?

주요 결과

• Qiskit, QWIRE, OpenQASM 3와 같은 기존 양자 프로그래밍 도구(QPTs)는 HPC 통합에 부분적인 지원을 보이지만, 종합적인 툴체인 성숙도와 런타임 최적화가 부족하다.
• 분석 결과, 자원 관리, 통신, 동기화 측면에서 대규모 생산용 HPCQC 워크로드를 위한 요구사항을 충족시키는 데 현재의 QPT가 완전히 만족하지 못하고 있음을 확인했다.
• 상호운용성과 표준화—특히 QIR(양자 중간 표현)를 통해—는 핵심적인 추진력이지만, 현재의 구현은 로드 밸런싱 및 고장 내성과 같은 HPC 전용 과제를 아직 해결하지 못하고 있다.
• 제안된 분석 청사진은 HPC 통합 차원에서 QPT의 강점과 약점을 효과적으로 파악하며, 체계적인 평가 방법을 제공한다.
• 이 연구는 표준화된 인터페이스를 갖춘 통합 HPCQC 툴체인이 필요하며, 이는 이식성, 최적화, 다양한 시스템 간의 벤치마킹을 가능하게 한다고 밝혔다.
• 하이브리드 HPCQC 시스템에 대한 공통된 벤치마크가 부족하여 성능 평가 및 비교가 어렵다. 이는 표준화된 워크로드 및 성능 측정 프레임워크의 필요성을 강조한다.