Guide de l’acheteur de l’informatique quantique as a service : des Qubits à louer, oui mais comment ?

Steve Jobs aurait dit : “Souvent, les gens ne savent pas ce qu’ils veulent tant que vous ne le leur montrez pas”. Un service d’informatique quantique est déjà assez difficile à comprendre lorsqu’on vous l’explique simplement. Sa promesse repose sur sa capacité à tirer parti de quelque chose de bizarre pour accomplir quelque chose de fantastique. Le problème, c’est que nous n’en sommes pas encore au “fantastique” et que, lorsque nous y arriverons, les choses ne seront peut-être plus aussi bizarres.

Voici l’idée générale : les premiers services d’informatique quantique proposés aux clients commerciaux sont des expériences. Ce sont des moyens de mettre en scène des fonctions scientifiques, dans le but d’apprendre où pourrait se trouver un marché de l’informatique quantique. C’est important, car les chercheurs en informatique quantique doivent être en mesure d’exploiter ce marché le plus tôt possible (en supposant qu’il existe) s’ils veulent générer les investissements en capital nécessaires à la croissance d’un tel marché.

Pour vous donner une meilleure idée de l’état actuel de ce marché, nous avons sélectionné cinq organisations – certaines commerciales, d’autres universitaires et d’autres encore qui mélangent les deux – qui proposent un service d’informatique quantique exécutant de véritables fonctions quantiques. Nous espérons que les clients pourront s’abonner aux services quantiques de la même manière qu’ils le font aujourd’hui pour les services de cloud computing. Le problème avec le quantique est que le temps finit le plus souvent par être une variable.

Pourquoi nous avons choisi ces cinq services d’informatique quantique

Comme nous ne sommes pas des chercheurs en sciences quantiques et que l’état actuel du marché n’est peut-être qu’un stade embryonnaire, nous ne sommes franchement pas en mesure de faire des recommandations fondées sur la qualité globale des services à long terme. Ce que nous savons, par expérience, c’est le développement des marchés de la technologie et des logiciels – en particulier la façon dont certains acteurs se positionnent pour être ou devenir éventuellement influents.

Nous avons donc choisi cinq services de QaaS (Quantic-as-a-Service) qui montrent des signes d’influence et deviennent des modèles pour les autres à mesure que ce marché se développe. Il s’agit de services qui, en partie en fonction de leurs fournisseurs mais aussi de l’intelligence de leurs propositions de valeur, vont, selon nous, façonner le cours de cette industrie émergente. En supposant, bien sûr, qu’il continue à se développer.

Amazon Braket

Braket semble être le prototype le plus avancé pour le type de service d’informatique quantique qui pourrait devenir courant. Il suppose que son client est un développeur, et que l’objectif de ce client est d’utiliser des outils de développement pour concevoir un circuit quantique, c’est-à-dire un dispositif simulé dont les schémas suivent les principes de la physique quantique tels que nous les comprenons.

À un niveau très profond, tous les programmes informatiques peuvent être décompilés en une forme fondamentale appelée “circuit booléen”, dont la logique peut être représentée sur un organigramme.

Un circuit quantique a également une forme graphique, et comme pour les ordinateurs classiques, binaires, il existe des langages et des symbologies qui permettent à un développeur d’exprimer plus facilement la logique d’un tel circuit. Par exemple, il existe la notation dite “Bra – Ket” qui utilise des caractères tels que |v> et <v| pour représenter respectivement la vectorisation et la linéarisation lors du mappage de l’état d’un système quantique à un autre, créée par le pionnier de la physique quantique Paul Dirac en 1934 [PDF], et qui a donné son nom au système AWS.

Supposons que l’application que vous écrivez vous demande de prendre une forme d’onde audio très complexe et de la décomposer en une série d’ondes constitutives plus simples pouvant être décrites en termes de fréquence et d’amplitude.

Un algorithme classique de Fourier peut accomplir cela, mais avec récursion – il a besoin de plusieurs itérations avant d’arriver à un résultat. Avec un circuit quantique correctement construit, une telle transformation peut être accomplie en un seul passage.

Braket commence par vous donner les outils dont vous avez besoin pour construire le circuit quantique de manière linguistique, puis pour tester ce circuit (l'”imprimer”) à l’aide du simulateur quantique en ligne d’AWS — une application exécutée sur le cloud Amazon, qui coûte 0,075 ou 0,275 dollar par minute active (la première heure est gratuite), selon le niveau de service — ou du simulateur local, qui est une application que vous pouvez exécuter localement sur votre PC.

Un tel simulateur ne fournit pas tout à fait une solution complète, mais il peut révéler suffisamment de données pour vous dire si le circuit est exempt d’erreurs. Notez que vous n’avez pas besoin de créer votre propre machine virtuelle AWS ; la zone de préparation fournit juste les ressources dont vous avez besoin pour “imprimer” le circuit.

Ensuite, AWS sert de courtier pour une poignée d’ordinateurs quantiques réels (et non simulés) d’autres fournisseurs. Par l’intermédiaire d’un marché en ligne qui devrait sembler familier aux utilisateurs réguliers d’AWS, Bracket facilite les transactions qui vous permettent de placer votre circuit testé sur l’un de ces véritables machine quantique.

Vous réglez le prix avec le fournisseur de QPU de votre choix, à un prix de base de 0,30 $ par tâche, plus un supplément par “coup” (une façon très générale de symboliser un cycle de programme). En utilisant un kit de développement logiciel (SDK) open source appelé Qiskit, vous pouvez ensuite rendre votre circuit quantique accessible par une application classique.

Braket en un coup d’oeil

• Marché visé: Universitaires, expérimentateurs, programmeurs scientifiques.
• Classe de service: Conception, test et mise en scène de circuits quantiques.
• Abordabilité : Abordable pour des tâches conçues pour être exécutées pendant quelques minutes seulement ; non destiné à être exécuté pendant de longues durées dans le cadre d’une application publique.

QuTech Quantum Inspire

Quantum Inspire est un projet en cours de l’Université de technologie de Delft (TU Delft), aux Pays-Bas, qui collabore avec l’organisme de recherche néerlandais TNO, afin de prototyper un réseau de systèmes quantiques pouvant être mis à profit à des fins commerciales et universitaires.

Dans un livre blanc de mars 2020 présentant la plateforme, les chercheurs de TU Delft ont expliqué que leur intention avec ce système est de modéliser non seulement le système quantique, mais aussi l’ensemble de l’économie informatique qui rendra le QaaS disponible et utile à un moment donné :

“Quantum Inspire comprend un certain nombre de couches, notamment du matériel quantique, de l’électronique de contrôle classique et un frontal logiciel avec une interface web accessible par le cloud. Un tel système est appelé “full-stack”. Les systèmes full-stack sont des bancs d’essai essentiels pour comprendre ce nouveau paradigme de calcul. Ils peuvent servir d’accélérateurs technologiques car seule une analyse minutieuse des différentes couches du système et de leurs interdépendances permet de détecter les lacunes et les prochaines étapes nécessaires dans la feuille de route de l’innovation et la chaîne d’approvisionnement”.

Au moment de la rédaction de cet article, outre une paire de simulateurs, Quantum Inspire utilisait deux véritables backends basés sur des QPU :

• Spin-2, composé d’un point quantique à deux qubits suspendu dans du silicium 28 purifié, conçu plutôt comme une expérience de création de processeurs quantiques à l’aide de techniques lithographiques plus conventionnelles [PDF] ;
• Starmon-5, composé de cinq qubits en forme de X, pour tester les caractéristiques de résonance des qubits à proximité les uns des autres.

Pour ce projet, TU Delft a développé son propre langage d’assemblage quantique, intitulé cQASM. Il spécifie une séquence d’opérations logiques, plus proche d’une notation que d’un langage. Lorsqu’un programmeur spécifie un circuit quantique à l’aide du cQASM, l’éditeur Quantum Inspire génère un graphique du circuit, comme le graphique simple ci-dessus. Là, une case “H” représente une porte logique à deux qubits, appelée porte de Hadamard. C’est l’un des outils visuels utilisés pour générer l’expression d’un circuit quantique – en termes quantiques, pour générer un opérateur Hamiltonien.

Braket en un coup d’oeil

• Marché visé: Chercheurs en science des matériaux.
• Classe de service: Tests destinés à vérifier la fiabilité des systèmes et de leur conception, ainsi qu’à faire progresser l’art de la programmation des systèmes.
• Abordabilité : Gratuit, pour les chercheurs disposés à conclure cet accord avec TU Delft : Tout ce que les utilisateurs soumettent au système doit être considéré comme libre et open source, afin que les équipes de TU Delft et TNO puissent également l’utiliser, ainsi que le reste de la communauté du CQ.
• A essayer sur le site de Quantum Inspire
  

D-Wave Leap / Leap2

La question de savoir si le recuit quantique peut être qualifié d’informatique quantique continue de faire l’objet d’un débat considérable dans les milieux universitaires, puisque son objectif ultime n’est pas tant de résoudre des problèmes que d’optimiser ou d’affiner la résolution de problèmes.

Pendant que ce débat se poursuit, l’une des premières organisations à proposer un produit quantique fonctionnel, D-Wave Systems, offre un accès en mode cloud à ses systèmes de recuit, par le biais de Leap (dont le niveau de service premium s’appelle Leap2).

Bien que le recuit ne soit adapté qu’à la modélisation de certaines catégories de problèmes, on peut dire qu’il est bien adapté. Plutôt que de modéliser un algorithme comme une sorte de circuit, comme avec système quantique conventionnel, le recuit adopte un modèle probabiliste. Dans un sens, ce modèle ressemble aux poids et aux biais appliqués à un réseau neuronal.

L’astuce pour le développeur est de pouvoir reformuler la fonction mathématique en question sous la forme d’un “modèle énergétique”. Étant donné que les qubits en superposition quantique (entre 0 et 1) ont tendance à rechercher un état de faible énergie, un modèle énergétique peut tirer parti de ce fait de physique en construisant une sorte de machine Plinko subatomique dans laquelle les solutions peuvent tomber.

Dans ce cas, les résultats les plus probables creusent des fosses plus profondes dans lesquelles les qubits peuvent tomber, tandis que les moins probables laissent des fosses moins profondes. Si vous pouvez accepter les résultats de votre opération comme des probabilités plutôt que des faits, cette méthode pourrait donner des estimations probabilistes plus fiables. C’est en fait le même acte de foi, si vous voulez, que les chercheurs en informatique neuronale ont fait, et leurs investissements ont été largement récompensés.

Alors, à quoi servent vraiment Leap et Leap2 ? Si vous êtes un chercheur en statistique ou un mathématicien et que vous pensez que les algorithmes sont les moyens les plus fiables d’obtenir des mesures de probabilité fiables, alors il y a de très bonnes raisons de penser que le recuit peut produire les estimations les plus fiables possibles des niveaux d’incertitude. Il n’y a pas de facteur plus ou moins ; vous savez à quel point vous êtes incertain, et cela peut être un avantage.

Leap / Leap 2 en un coup d’oeil

• Marché visé: Petites entreprises et institutions cherchant à construire les premiers modèles vivants et fonctionnels de résolution de problèmes du monde réel à l’aide de n’importe quel type de technologie quantique.
• Classe de service: Analyse statistique.
• Abordabilité : Cela dépend de votre niveau de développement quantique. D-Wave facture à la minute, pour la durée du processus de recuit – pas pour le stockage ou le transfert de données, mais pour le temps que D-Wave doit tourner la manivelle. Si vous êtes un développeur amateur, vous risquez de gaspiller des cycles de production, mais si vous savez ce que vous faites, vous serez peut-être récompensé par l’efficacité du système. (Leap est également disponible sur Amazon Braket).
• A essayer sur le site de D-Wave

Honeywell H0 / H1

Tant qu’il n’y aura pas de marqueur officiel pour cette industrie, il faudra peut-être croire sur parole Honeywell Quantum Solutions, qui affirme que sa méthode de fabrication de qubits permet d’emmêler jusqu’à 64 qubits. Pensez à chaque qubit comme à un composant de mémoire.

Le nombre d’états de superposition possibles pour chaque qubit intriqué (analogue à la longueur d’un octet dans le calcul binaire) passe à 2, élevé à la puissance du nombre de qubits. Ainsi, 64 est bien plus éloigné de 63 que 63 ne l’est de 62.

L’intérêt principal d’Honeywell pour calcul quantique est de vendre un jour du matériel commercial, mais en attendant, de vendre des services quantiques commerciaux. Jusqu’à récemment, son principal moyen de se constituer une clientèle était la collaboration directe – en faisant participer le monde universitaire au processus de conception.

En octobre 2020, l’entreprise a franchi une nouvelle étape dans son programme de sensibilisation, en vendant du temps sur l’un de ses modèles H0 ou H1 pour une somme vraisemblablement symbolique. L’entreprise est très transparente quant à ses motivations : Elle cherche à obtenir une plus grande participation de la part des clients potentiels, afin d’inciter ses propres ingénieurs à améliorer les processus pour son prochain modèle H2.

Il ne s’agit donc pas exactement d’un service de type “cloud”, auto-approvisionnement et service à domicile : Avec Honeywell, l’idée est d’entrer dans une relation professionnelle, de client à client, avec le fabricant, peut-être dans l’idée de faire un essai de ses machines.

Le service H0 / H1 en un coup d’oeil

• Marché visé: Clients potentiels des systèmes quantiques Honeywell.
• Classe de service: Test de performance – essentiellement, faire tourner les derniers modèles.
• Abordabilité : Comme pour les premiers services de cloud des années 2000, le prix final sera une question de négociation. Pour la programmation du temps sur H0, le prix que vous paierez est basé sur la détermination par Honeywell de la taille de la tâche que vous avez l’intention d’exécuter. Cette taille est mesurée en “crédits”, et vous achetez des crédits à l’avance par tranches de 1 000. Pour H1, il existe des frais d’abonnement mensuels fixes, que Honeywell fixe en fonction de l’utilisation que vous comptez en faire et du temps que cette utilisation peut prendre.
• A essayer sur le site de Honeywell

Strangeworks Quantumcomputing.com

Strangeworks a construit une plateforme de collaboration pour les chercheurs en informatique quantique, les encourageant à se réunir et à partager leurs travaux entre eux sous une licence open source. La plateforme a été lancée avec un simulateur quantique uniquement, bien que ses dirigeants aient prévu de faciliter l’accès direct à une installation quantique en fonctionnement. En attendant, la plateforme sert de marché où les participants peuvent servir de vendeurs.

L’initiative est née du travail de son fondateur, William “Whurley” Hurley, en tant que président du groupe de travail sur l’informatique quantique de l’IEEE. Dans le cadre de son travail, Hurley a construit des plateformes d’applications pour de grandes entreprises ou en vue de leur acquisition.

Par exemple, en 2014, il a créé un système expert de conseil en investissement appelé Honest Dollar, qui a été acquis deux ans plus tard par la société d’investissement Goldman Sachs. Des expériences comme celle-ci ont fait comprendre à Hurley que les entrepreneurs en informatique scientifique ont avant tout besoin d’être exposés à des capitaux d’investissement.

L’objectif de Strangeworks est de rassembler les personnes avec lesquelles il a travaillé à l’IEEE et de rendre leurs services et leur expertise accessibles aux bienfaiteurs potentiels, afin de créer le type d’écosystème que QC n’a pas encore atteint par ses propres moyens.

Strangeworks Quantumcomputing.com en un coup d’oeil

• Marché visé: Praticiens ou participants dans le domaine de la recherche en informatique quantique – des personnes qui s’attendent à faire partie de l’industrie, par opposition à ses clients.
• Classe de service: Expérimental
• Abordabilité : Strangeworks QC est un niveau gratuit accessible aux chercheurs individuels, mais avec une limite de stockage de 100 Mo (heureusement, les fichiers de projets de circuits quantiques peuvent être assez petits) et aucun accès aux outils de collaboration. Ces restrictions sont levées pour le niveau “entreprise” de Strangeworks EQ, dont les tarifs sont négociables. Certaines institutions peuvent être sceptiques à l’idée de payer une plateforme pour diffuser son travail en open source.
• A essayer sur le site de Strangeworks Quantumcomputing.com

Source : “ZDNet.com”