量子集成高性能计算:基础、架构要素与未来方向

高性能计算(HPC)历经数十年发展,从向量超级计算机到大规模并行CPU集群及GPU加速系统,通过多次架构变革持续推动科学发现的边界扩展。随着量子处理单元(QPUs)成为实用化计算加速器,整合量子与经典计算范式的新机遇已然浮现。本文提出“量子集成高性能计算(QHPC)”这一前瞻性架构框架,将CPU、GPU、FPGA和QPU统一视作首要异构资源。该工作提出分层系统设计,包含统一资源管理、量子感知调度、混合工作流编排、中间件与编程抽象、互连技术,以及支持经典与量子后端无缝工作负载分层的分级执行模型。 该架构的核心是强大的用户请求抽象层,通过类似Slurm等现有调度器的统一作业提交接口,以独立于底层计算类型或位置的统一模板描述工作负载,实现异构资源的透明暴露。研究人员从早期加速器集成经验中汲取洞见,阐述了QHPC如何支持量子化学、材料发现、组合优化和气候建模等新兴工作负载。最后,该团队重点指出构建可扩展、可靠且可编程的量子-经典基础设施面临的开放挑战——这些设施需将全球用户无缝连接至异构计算资源,以支撑未来量子-经典HPC生态系统的发展。

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提交arXiv: 2026-04-17 04:29

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