IBM يحدد معمارية جديدة لحواسيب الكم الخارقة في بيئات الأداء العالي

قدمت شركة IBM بنية مرجعية تربط بين الحوسبة الكمومية الفائقة والنظم التقليدية عالية الأداء لتسريع الاكتشافات العلمية والمحاكاة المعقدة.

تقدم IBM أول مخطط للبنية التحتية للحوسبة الفائقة المركزية على أساس الكم

نشرت IBM ما تسميه أول بنية مرجعية في الصناعة للحوسبة الفائقة المركزية على أساس الكم، توضح كيف يمكن دمج المعالجات الكمومية بشكل وثيق في بيئات الحوسبة الفائقة الحديثة. وتؤكد الشركة أن هذا النهج الموحد سيكون ضروريًا مع تطور الأجهزة الكمومية نحو التطبيقات العملية.

اليوم، تتقدم الحواسيب الكمومية نحو محاكاة مفيدة للأنظمة الكمومية المعقدة. علاوة على ذلك، فإن الخوارزميات الهجينة الكمومية التقليدية الناشئة تنتج بالفعل نتائج ذات معنى في مجالات مثل الكيمياء وعلوم المواد، حيث يلعب ميكانيكا الكم دورًا مركزيًا.

ومع ذلك، تظل قدرتها على معالجة المشكلات العلمية الكبرى محدودة. العقبة الرئيسية هي انفصالها عن البنية التحتية التقليدية للحوسبة عالية الأداء، التي لا تزال تعتمد على نقل البيانات يدويًا والتنسيق غير المنظم بين الأنظمة الكمومية والتقليدية.

دمج موارد الكم، ووحدة معالجة الرسومات، ووحدة المعالجة المركزية

للسد هذه الفجوة، تقترح IBM بنية تجمع بين المعالجات الكمومية، أو وحدات المعالجة الكمومية (QPU)، مع وحدات معالجة الرسومات (GPU) ووحدات المعالجة المركزية (CPU) عبر مجموعات محلية، ومراكز أبحاث وطنية، ومنصات سحابية. تم تصميم هذا النموذج بحيث يمكن لمختلف تقنيات الحوسبة التعاون في حل المشكلات التي تتجاوز قدرة أي نظام فردي.

تخلق الخطة بيئة حوسبة موحدة تدمج الأجهزة الكمومية مع الموارد التقليدية، بما في ذلك مجموعات CPU وGPU، وشبكات عالية السرعة، وتخزين مشترك. علاوة على ذلك، يُقصد من هذا الجمع دعم الأحمال المكثفة بالإضافة إلى تطوير الخوارزميات، مع تسهيل استخدام المعالجات الكمومية مع وحدات معالجة الرسومات في سير العمل على مستوى الإنتاج.

في الممارسة العملية، يهدف التصميم إلى تبسيط تنظيم سير العمل بين الحوسبة الكمومية والتقليدية، بحيث لا يحتاج العلماء إلى إدارة حركة البيانات يدويًا بين المعالجات. ومع ذلك، لا تزال البنية تعتمد على وسيط برمجي قوي وطبقات تجريد برمجية لإخفاء التعقيد الأساسي عن المستخدمين النهائيين.

خارطة طريق ثلاثية المراحل للأنظمة المدمجة

وصف علماء IBM خارطة طريق من ثلاث مراحل نحو أنظمة كمومية تقليدية متكاملة تمامًا يمكنها دعم سير العمل العلمي من البداية إلى النهاية. تركز المرحلة الأولى على نشر معجلات QPU في بيئات الحوسبة عالية الأداء، حيث تعمل المعالجات الكمومية كمسرعات متخصصة مرتبطة بالحواسيب الفائقة الموجودة.

في المرحلة الثانية، تتصور IBM منصات هجينة مدعومة بوسيط برمجي تُبسط تعقيد النظام. علاوة على ذلك، ستسمح هذه المنصات للمطورين بمعاملة موارد الكم، والمعالج المركزي، ووحدة معالجة الرسومات كمكونات لنظام منطقي واحد، بدلاً من أن تكون آلات معزولة يجب إدارتها بشكل منفصل.

وفي النهاية، تهدف المرحلة الثالثة إلى أنظمة كمومية تقليدية متكاملة بشكل كامل، مصممة من الأساس لعمليات سير عمل كاملة. في هذه المرحلة، سيتم ربط الحوسبة الكمومية والحوسبة الفائقة بشكل وثيق بحيث يمكن تقسيم الأحمال بشكل ديناميكي بين الموارد الكمومية والتقليدية وفقًا لمتطلبات الأداء والدقة.

مكدس البرمجيات ووصول المطورين

مع هذا الأساس، تخطط IBM لدعم سير عمل منسق يمتد عبر الحوسبة الكمومية والتقليدية ضمن نفس التطبيق. تبرز الشركة التنسيق المتكامل والأطر البرمجية المفتوحة كمكونات رئيسية للبنية.

على وجه الخصوص، تشير IBM إلى إطار العمل المفتوح Qiskit كوسيلة للمطورين والعلماء للوصول إلى قدرات الكم باستخدام أدوات مألوفة. علاوة على ذلك، من خلال عرض الموارد الكمومية عبر واجهات قياسية، تتوقع IBM توسيع الاعتماد في مجالات مثل الكيمياء وعلوم المواد والتحسينات المعقدة.

وتؤكد الشركة أن هذا النظام البيئي مع مرور الوقت قد يمكّن من محاكاة كيميائية قابلة للتوسع للحوسبة الكمومية والأعباء الثقيلة الأخرى. ومع ذلك، فإن تحقيق هذه الرؤية يعتمد على التقدم المستمر في كل من الأجهزة الكمومية والبنية التحتية التقليدية.

الأثر العلمي والرؤية طويلة المدى

يصف مسؤولو IBM هذا الجهد كخطوة نحو عصر جديد في الحوسبة الفائقة والحوسبة الكمومية. وفقًا للشركة، الهدف ليس استبدال الآلات التقليدية، بل دمج قوتها مع قدرات الأجهزة الكمومية في بنية متماسكة.

قال جاي غامبيتا، مدير أبحاث IBM وزميل في الشركة: “بدأت معالجات الكم اليوم في معالجة أصعب أجزاء المشكلات العلمية — تلك التي تحكمها ميكانيكا الكم في الكيمياء.” وأكد أن هذا التقدم واضح بالفعل في مشاريع بحثية مبكرة.

وأضاف: “المستقبل يكمن في الحوسبة الفائقة الكمومية، حيث تعمل المعالجات الكمومية مع الحوسبة عالية الأداء التقليدية لحل المشكلات التي كانت سابقًا خارج نطاق القدرة. IBM تبني التكنولوجيا والأنظمة التي تجعل هذا المستقبل حقيقة اليوم.”

بشكل عام، تهدف البنية المرجعية لـ IBM إلى توفير مسار تقني واضح لدمج الموارد الكمومية والتقليدية، مما يضع الشركة في مركز المشهد الناشئ للحوسبة الفائقة المركزية على أساس الكم.