[论文解读] Integration of Quantum Accelerators with High Performance Computing -- A Review of Quantum Programming Tools

Amr Elsharkawy, Xiao-Ting Michelle To+10 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2023

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 6

一句话总结

本文提出了一套分析蓝图，用于评估量子编程工具（QPTs）在高性能计算（HPC）系统中的集成能力，重点关注可扩展性、工具链支持以及HPC特定的成熟度。该研究评估了六种QPTs——QWIRE、Quil、OpenQASM 3、Qiskit、XACC和OpenQL——发现现有工具仅部分支持完整的HPCQC集成，凸显了对具备增强运行时和互操作性功能的标准化、统一工具链的迫切需求。

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.

研究动机与目标

• 为解决当前缺乏对量子编程工具（QPTs）与高性能计算（HPC）系统集成的系统性评估问题。
• 识别在现有QPT综述中尚未充分探索的、决定HPC集成的关键标准。
• 开发一种结构化的分析蓝图，使HPC科学家能够评估QPTs在混合量子-经典工作负载中的适用性。
• 基于HPC集成需求，评估六种主流QPTs（QWIRE、Quil、OpenQASM 3、Qiskit、XACC、OpenQL）的表现。
• 揭示当前QPTs在功能上的不足，并倡导构建一个统一的、标准化的HPCQC工具链，以增强运行时能力和互操作性支持。

提出的方法

• 提出四种集成场景（从基础到完整HPCQC集成），以模拟系统交互复杂度的逐步提升。
• 定义一个三类标准框架：HPC中产品成熟的程度（可扩展性、工具链支持）、互操作性以及运行时能力。
• 基于一系列评估性问题，开发出一个分析蓝图，用于在既定标准下对QPTs进行评分。
• 将该蓝图应用于六种QPTs，评估其在HPC工作流、编译、执行以及混合算法开发方面的支持能力。
• 评估新兴标准（如QIR，量子中间表示）的作用，并倡导扩展标准（SQIR）以统一工具链。
• 提出未来统一的HPCQC工具链，具备标准化接口，旨在实现无缝集成、可移植性以及基准测试。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些量子编程工具（QPTs）最适合集成到现有的高性能计算（HPC）基础设施中？
• RQ2 决定QPTs在HPCQC（高性能计算-量子计算）集成中适用性的关键技术与架构标准是什么？
• RQ3 现有QPTs在支持混合量子-经典工作负载方面表现如何，特别是在可扩展性、工具链成熟度和运行时效率方面？
• RQ4 当前QPTs在哪些方面存在重大缺陷，导致无法实现全规模的HPCQC集成？这些缺陷应如何解决？
• RQ5 如何设计一个标准化、统一的工具链，以实现在多样化HPC与量子平台之间的互操作性、优化和基准测试？

主要发现

• 现有的量子编程工具（QPTs），如Qiskit、QWIRE和OpenQASM 3，在HPC集成方面表现出部分支持，但缺乏全面的工具链成熟度和运行时优化能力。
• 分析表明，目前没有任何一种QPT能完全满足大规模、生产级HPCQC工作负载的需求，特别是在资源管理、通信和同步方面存在明显不足。
• 互操作性与标准化——尤其是通过QIR（量子中间表示）——是关键推动因素，但当前实现尚未解决HPC特有的挑战，如负载均衡和容错能力。
• 所提出的分析蓝图能有效识别QPTs在HPC集成各维度上的优势与劣势，提供一种结构化的评估方法。
• 本研究识别出对统一HPCQC工具链的迫切需求，该工具链应标准化接口，以实现跨异构系统的可移植性、优化和基准测试。
• 缺乏针对混合HPCQC系统的通用基准测试，阻碍了性能评估与比较，凸显了建立标准化工作负载与性能测量框架的必要性。