A computação quântica representa uma mudança significativa no poder computacional, aproveitando os princípios da mecânica quântica para resolver problemas que os computadores clássicos consideram impossíveis ou impraticáveis. Ao contrário dos bits tradicionais, que representam 0 ou 1, os computadores quânticos utilizam bits quânticos (qubits) que podem existir em vários estados em simultâneo, permitindo-lhes processar grandes quantidades de informação a velocidades sem precedentes. Isto torna a computação quântica especialmente promissora para tarefas como a simulação de comportamento molecular, a resolução de problemas complexos de otimização e a quebra de criptografia.
A computação de alto desempenho (HPC) tem sido uma potência para a investigação científica, simulações industriais e tarefas com utilização intensiva de dados. No entanto, os sistemas HPC clássicos enfrentam certos tipos de problemas, particularmente aqueles que envolvem escala exponencial ou fenómenos quânticos complexos. Por exemplo, as simulações de química quântica e de ciências de materiais complexos levam os sistemas HPC ao seu limite, consumindo enormes recursos computacionais e tempo. Apesar do seu poder, os sistemas clássicos falham frequentemente ao tentar modelar interações a nível atómico ou resolver problemas combinatórios com milhões de variáveis.
A integração de computadores quânticos com sistemas HPC possui um imenso potencial para enfrentar os desafios que os supercomputadores tradicionais não conseguem superar sozinhos. Os computadores quânticos poderiam atuar como aceleradores especializados para determinadas tarefas, aumentando a eficiência dos sistemas clássicos. Nos modelos híbridos, os computadores quânticos poderiam lidar com problemas específicos do quantum, como simular as interações entre partículas em moléculas grandes, enquanto os sistemas HPC gerem o processamento de dados e as tarefas de controlo.
Esta divisão de trabalho é particularmente promissora em áreas como a química quântica, a ciência dos materiais e a otimização. Por exemplo, o enovelamento proteico – uma tarefa computacionalmente intensiva para a descoberta de fármacos – poderia ser amplamente melhorado por esta abordagem híbrida. Da mesma forma, a previsão meteorológica, a modelação climática e os algoritmos de aprendizagem automática podem beneficiar do trabalho dos sistemas quânticos em conjunto com o HPC clássico, proporcionando simulações mais rápidas e precisas.
A investigação sobre a integração da computação quântica e da HPC acelerou nos últimos anos. Notavelmente, o Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL) está a direcionar esforços para desenvolver uma estrutura perfeita para a integração de computadores quânticos com sistemas HPC tradicionais. A abordagem do ORNL centra-se na utilização de processadores quânticos para lidar com problemas computacionais específicos, como simulações de química quântica, onde os sistemas clássicos são insuficientes. A sua investigação visa desenvolver benchmarks para testar o desempenho de dispositivos quânticos dentro de um sistema híbrido, garantindo aplicações práticas em áreas como a dinâmica de fluidos computacional e otimização [1].
Da mesma forma, as colaborações europeias, como as que envolvem a IQM Quantum Computers e o Leibniz Supercomputing Center (LRZ), estão a explorar formas de desenvolver sistemas híbridos de HPC quântica para aplicações científicas e industriais. Estas iniciativas visam criar fluxos de trabalho que aproveitem os pontos fortes de ambas as tecnologias, ajudando a preencher a lacuna entre a investigação e as aplicações do mundo real [2,3].
A Empresa Comum Europeia para a Computação de Alto Desempenho (EuroHPC JU) está a desempenhar um papel fundamental no avanço da integração da computação quântica e da HPC em toda a Europa. No âmbito da sua iniciativa estratégica, em 2023, a EuroHPC JU assinou acordos para acolher seis computadores quânticos na Chéquia, França, Alemanha, Itália, Polónia e Espanha. Estes sistemas serão integrados na infraestrutura europeia de HPC já existente, permitindo aos utilizadores europeus experimentar modelos híbridos de HPC quântica que tirem partido dos pontos fortes dos sistemas clássicos e quânticos. Estes computadores quânticos ajudarão a acelerar a investigação científica e industrial, resolvendo problemas computacionais complexos que estão para além do alcance apenas dos sistemas HPC tradicionais [4].
Bibliografia:
[1] T. Beck et al, Integrating quantum computing resources into scientific HPC ecosystems, Future Generation Computer Systems, Pages 11-25, 2024.
[2] IQM Quantum Computers and LRZ Collaboration, 2023.
[3] HPCwire, IQM Quantum Computers Partners with HPE to Showcase Hybrid Quantum-HPC Integration at ISC 2024, May 2024.
[4] EuroHPC JU, 2023-2024.