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 la fois précédente où ils s'y sont essayés. Qiskit est la plateforme de développement de logiciels quantiques d'IBM ; Qiskit Runtime est un nouveau logiciel conteneurisé qui s'exécute dans IBM Cloud où il exploite le matériel classique d'IBM et la proximité des processeurs quantiques d'IBM pour accélérer les performances. IBM a procédé au lancement du logiciel mardi à l'occasion de son événement virtuel Think.En 2017, IBM avait annoncé que, équipés d'un processeur quantique à sept qubits, ses chercheurs avaient réussi à simuler le comportement d'une petite molécule appelée hydrure de lithium (LiH). À l'époque, l'opération avait duré 45 jours. Quatre ans plus tard, l'équipe d'IBM Quantum a annoncé mardi que le même problème avait été résolu en seulement neuf heures. La simulation a été exécutée entièrement dans le cloud, par l'intermédiaire de la plateforme Qiskit d'IBM – une bibliothèque d'outils à code 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 dans le cloud.
IBM a récemment présenté Qiskit Runtime dans le cadre de sa feuille de route logicielle pour l'informatique quantique, et a estimé à l'époque que ce nouveau service permettrait d'accélérer 100 fois les charges de travail. Avec une accélération de 120 fois, il semble donc que Big Blue ait dépassé ses propres objectifs.
La nature nécessairement hybride de l'informatique quantique a stimulé les efforts de la communauté pour accélérer la partie classique du travail au cours des dernières années. Non seulement les éléments de contrôle traités par les systèmes classiques ont été améliorés, mais des progrès constants ont été réalisés dans la compréhension de la manière de décomposer les algorithmes quantiques eux-mêmes avec des parties de l'algorithme exécutées sur des systèmes classiques. La colocalisation ou la proximité des systèmes de calcul classiques et quantiques a également montré des avantages.
Programmes Quantiques : combinaison de processeurs classiques et de circuits quantiques
Selon un billet de blog d'IBM dont les chercheurs Blake Johnson et Ismael Faro sont auteurs, 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 d'un 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 à Poughkeepsie, New York.
« La méthode quantique n'est pas seulement un circuit quantique que vous exécutez », a expliqué dans une déclaration Blake Johnson, responsable de la plateforme quantique chez IBM Quantum. « 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 ».
À 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, d’après les chercheurs. 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.
Par exemple, si résoudre un problème aussi complexe que la simulation moléculaire en 45 jours (dans le cas de précédente démonstration test d'IBM) est un début, ce n'est pas suffisant pour réaliser les avancées quantiques qui enthousiasment les scientifiques.
Mais le système a été profondément amélioré depuis la dernière fois. « 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 », a expliqué Johnson.
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. Qiskit Runtime crée un environnement d'exécution conteneurisé situé à proximité du matériel quantique. Plutôt que d'envoyer de nombreuses requêtes de leur appareil à l'ordinateur quantique basé sur IBM Cloud, les développeurs peuvent donc envoyer des programmes entiers à l'environnement Runtime, où le cloud hybride d’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 plateforme de conteneurs qui se trouve au même endroit que le matériel quantique », a expliqué 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 ».
IBM lance Qiskit Runtime en version bêta pour l'informatique quantique
Jusqu'à présent, a expliqué 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 de renforcer la 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, a dit Johnson, le système augmente la capacité globale du programme.
Paul Smith-Goodson, analyste en charge de l'informatique quantique chez Moor Insights & Strategy, est d'accord : « Il est non seulement plus efficace, mais aussi plus commode sur le plan technique d'avoir des ressources classiques dans le cloud. Les machines classiques d'IBM sont conçues et entretenues spécifiquement pour ce processus. De cette façon, l'utilisateur final n'a pas à se soucier de choses telles que le logiciel de contrôle, le logiciel de Cloud, la capacité, etc. ».
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 », a déclaré Johnson. « C'est l'amélioration harmonieuse de la qualité et de la capacité travaillant ensemble qui rend le système plus rapide ».
Maintenant que l'accélération a été démontrée dans la simulation de la molécule LiH, Johnson espère voir les développeurs utiliser la technologie améliorée pour expérimenter des applications quantiques dans une variété de domaines différents au-delà de la chimie.
Big Blue a réitéré son engagement à trouver des cas d'utilisation pratiques de l'informatique quantique. Dans une autre démonstration, par exemple, l'équipe quantique d'IBM a utilisé Qiskit Runtime pour exécuter un programme d'apprentissage automatique 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 Quantum Network 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.
« Nous espérons que le Runtime Qiskit permettra aux utilisateurs du monde entier de tirer pleinement parti du dispositif IBM Quantum Eagle de 127 qubits prévu pour cette année – ou du dispositif Condor de 1 121 qubits prévu pour 2023. Qiskit Runtime est actuellement en version bêta pour certains membres de l'IBM Quantum Network ».
Le système met certainement IBM sur la bonne voie pour atteindre les objectifs définis dans la feuille de route de la société sur les logiciels quantiques, qui prévoit que l'informatique quantique sans friction sera utilisée dans un certain nombre d'applications d'ici 2025.
Dans l'ensemble, l'activité dans le domaine de l'informatique quantique a explosé ces dernières années. Par exemple, un groupe de chercheurs néerlandais, travaillant à l'institut de recherche quantique QuTech aux Pays-Bas, a construit le tout premier réseau quantique multinœud en parvenant à connecter trois processeurs quantiques. Les nœuds peuvent à la fois stocker et traiter des qubits (bits quantiques) et les chercheurs ont apporté la preuve que les réseaux quantiques sont non seulement réalisables, mais aussi capables d'être étendus pour fournir à l'humanité un Internet quantique. Leurs efforts ont été rendus possibles grâce à l'intrication quantique.
Source : IBM
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