Informatique quantique : IBM bat de nouveaux records de vitesse de calcul

Grâce à une combinaison d’algorithmes retouchés, de systèmes de contrôle améliorés et d’un nouveau service quantique appelé Qiskit Runtime, les chercheurs d’IBM ont réussi à résoudre un problème quantique 120 fois plus vite que lors de leurs tentatives précédentes.

En 2017, Big Blue avait annoncé que ses chercheurs avaient réussi à simuler le comportement d’une petite molécule appelée hydrure de lithium (LiH) à l’aide d’un processeur quantique à sept qubits. À l’époque, l’opération avait duré 45 jours. Quatre ans plus tard, l’équipe d’IBM Quantum ont annoncé que le même problème vient d’être résolu en seulement neuf heures.

La simulation a été exécutée entièrement sur le cloud, par l’intermédiaire de la plateforme Qiskit d’IBM – une bibliothèque d’outils open-source qui permet aux développeurs du monde entier de créer des programmes quantiques et de les exécuter sur des prototypes de dispositifs quantiques qu’IBM met à disposition sur le cloud. L’accélération observée a été en grande partie rendue possible grâce à un nouveau service quantique, Qiskit Runtime, qui a joué un rôle clé dans la réduction des latences pendant la simulation. 

Des records de vitesse

IBM a présenté Qiskit Runtime plus tôt cette année dans le cadre de son plan stratégique portant sur les logiciels de l’entreprise pour l’informatique quantique. Le géant américain a estimé à l’époque que le nouveau service permettrait d’accélérer de 100 fois les charges de travail. Avec une accélération de 120 fois, il semble donc que Big Blue ait dépassé ses propres objectifs.

Le calcul classique reste un élément fondamental de Qiskit, et de toute opération quantique effectuée dans le Cloud. Un programme quantique peut effectivement être décomposé en deux parties : à l’aide de matériel classique, comme un ordinateur portable, les développeurs envoient des requêtes via le cloud au matériel quantique – dans ce cas, au centre de calcul quantique d’IBM aux Etats-Unis.

“La méthode quantique n’est pas seulement un circuit quantique que vous exécutez”, explique Blake Johnson, responsable de la plate-forme quantique chez IBM Quantum interrogé par ZDNet. “Il y a une interaction entre une ressource informatique classique qui fait des requêtes au matériel quantique, puis interprète ces résultats pour faire de nouvelles requêtes. Cette conversation n’est pas une chose ponctuelle – elle se produit encore et encore, et vous avez besoin qu’elle soit rapide.”

Eliminer les frictions

Pour chaque requête envoyée, quelques dizaines de milliers de circuits quantiques sont exécutés. Pour simuler la petite molécule LiH, par exemple, 4,1 milliards de circuits ont été exécutés, ce qui correspond à des millions de requêtes faisant des allers-retours entre la ressource classique et la ressource quantique. Lorsque cette conversation se déroule dans le Cloud, via une connexion internet, entre l’ordinateur portable d’un utilisateur et les processeurs quantiques d’IBM basés aux États-Unis, la latence peut rapidement devenir un obstacle important.

Exemple concret : si résoudre un problème aussi complexe que la simulation moléculaire en 45 jours est un début, ce n’est pas suffisant pour réaliser les avancées quantiques qui enthousiasment les scientifiques.  “Nous disposons actuellement d’un système dont l’architecture n’est pas intrinsèquement liée au fait que les charges de travail réelles comportent ces boucles quantiques et classiques”, explique le chercheur d’IBM.

Sur la base de cette observation, l’équipe quantique d’IBM a entrepris de construire Qiskit Runtime – un système conçu pour accélérer nativement l’exécution d’un programme quantique en supprimant certaines des frictions associées aux allers-retours en cours entre le monde quantique et le monde classique.

Processeur quantique

Qiskit Runtime crée un environnement d’exécution conteneurisé situé à côté du matériel quantique. Plutôt que d’envoyer de nombreuses requêtes de leur appareil à l’ordinateur quantique basé sur le cloud, les développeurs peuvent donc envoyer des programmes entiers à l’environnement Runtime, où le cloud hybride IBM télécharge et exécute le travail pour eux.

En d’autres termes, les boucles qui se produisent entre l’environnement classique et l’environnement quantique sont contenues dans Runtime, qui est lui-même proche du processeur quantique. Cela permet de réduire les temps de latence liés à la communication entre l’ordinateur de l’utilisateur et le processeur quantique.

“La partie classique, qui génère des requêtes pour le matériel quantique, peut maintenant être exécutée dans une plate-forme de conteneurs qui se trouve au même endroit que le matériel quantique”, explique Johnson. “Le programme qui s’y exécute peut poser une question au matériel quantique et obtenir une réponse très rapidement. Il s’agit d’une interaction à très faible coût, de sorte que ces boucles sont soudainement beaucoup plus rapides.”

Les multiples visages de l’informatique quantique

Améliorer la précision et l’échelle des calculs quantiques n’est pas une tâche facile.  Jusqu’à présent, explique Blake Johnson, la plupart des efforts de recherche ont porté sur l’amélioration de la qualité du circuit quantique. En pratique, il s’agissait de développer des logiciels permettant de corriger les erreurs et d’ajouter une tolérance aux pannes du matériel quantique. En ce sens, Qiskit Runtime marque un changement de mentalité : au lieu de travailler sur la qualité du matériel quantique, le système augmente la capacité globale du programme, indique le chercheur.

Il n’en reste pas moins que l’accélération de 120 fois n’aurait pas été possible sans des ajustements supplémentaires des performances du matériel. Les améliorations algorithmiques, par exemple, ont permis de réduire de deux à dix fois le nombre d’itérations du modèle nécessaires pour obtenir une réponse finale ; tandis que l’amélioration des performances du processeur signifie que chaque itération de l’algorithme nécessite moins de passages dans le circuit.

Dans le même temps, les mises à niveau du logiciel du système et des systèmes de contrôle ont permis de réduire le temps d’exécution de chaque circuit pour chaque itération.  “La qualité est un ingrédient essentiel qui permet également à l’ensemble du système de fonctionner plus rapidement”, déclare Johnson. “C’est l’amélioration harmonieuse de la qualité et de la capacité travaillant ensemble qui rend le système plus rapide.”

Une nouvelle tâche de classification

Maintenant que l’accélération a été démontrée dans la simulation de la molécule de LiH, Blake Johnson espère que les développeurs utiliseront cette technologie améliorée pour expérimenter des applications quantiques dans toute une série de domaines autres que la chimie.  Dans une autre démonstration, par exemple, l’équipe quantique d’IBM a utilisé Qiskit Runtime pour exécuter un programme de Machine Learning pour une tâche de classification.

Le nouveau système a été capable d’exécuter la charge de travail et de trouver le modèle optimal pour étiqueter un ensemble de données dans un délai que Johnson a qualifié de “significatif”.  Qiskit Runtime sera initialement publié en version bêta, pour un nombre restreint d’utilisateurs du réseau Q d’IBM, et sera livré avec un ensemble fixe de programmes configurables. IBM prévoit que le système sera disponible pour tous les utilisateurs des services quantiques de l’entreprise au troisième trimestre 2021.

En combinaison avec le processeur quantique de 127 qubits, appelé IBM Quantum Eagle, qui est prévu pour plus tard cette année, Big Blue espère que l’accélération permise par Runtime signifiera que de nombreuses tâches qui étaient auparavant considérées comme irréalisables sur des ordinateurs quantiques seront désormais réalisables. Le système met certainement IBM sur la bonne voie pour atteindre les objectifs définis dans la feuille de route de l’entreprise sur les logiciels quantiques, qui prévoit que l’informatique quantique sans friction sera utilisée dans un certain nombre d’applications d’ici 2025. 

Source : ZDNet.com