Le supercalculateur le plus puissant au monde est certainement un bon point de départ pour booster la simulation quantique. C’est en tout cas la recette que Fujitsu a appliquée, pour élaborer son premier simulateur quantique officiel, doté de 36 qubits et annoncé comme le plus rapide existant à ce jour. Todoroki – c’est son nom - repose sur la même architecture matérielle mise en œuvre par le groupe japonais dans le supercalculateur Fugaku, en tête du classement mondial de la catégorie depuis deux ans.
La grappe d’ordinateurs constituant ce simulateur quantique n’est composée que de 64 nœuds, au lieu des 158 976 propulsant Fugaku. Mais les nœuds en question sont identiques et possèdent chacun un processeur A64FX, de type ARM, accompagné de 32 Go de mémoire. « La bande passante de la mémoire est extrêmement élevée (1 téraoctet/seconde, ndlr), détaille David Snelling, qui dirige le programme d’intelligence artificielle chez Fujitsu. Par ailleurs, grâce aux instructions vectorielles intégrées, tous les processus sont hautement parallélisés à l’intérieur même de chaque nœud. »
Le système entier profite en supplément du parallélisme introduit par le réseau d’interconnexion Tofu. Cette technologie propriétaire de Fujitsu, déjà disponible dans Fugaku, implique une topologie innovante à six dimensions pour relier les nœuds. S’y ajoute une méthode automatique pour rapprocher les qubits, pour améliorer l’intrication et accélérer les interactions. « Cette optimisation que nous employons ici est standard dans le calcul à haute performance pour la simulation de la dynamique des fluides par exemple » souligne David Snelling.
Première application en science des matériaux
Concernant l’aspect logiciel, Todoroki exécute le logiciel open source Qulacs, dédié à la simulation de circuit quantique et co-développé principalement par le laboratoire Fujii (université de Tokyo) et l’université d’Osaka. Selon les benchmarks réalisés par ces chercheurs, Qulacs se montre presque deux fois plus performant que des logiciels alternatifs (sont mentionnés Intel-QS, JUQCS et Qiskit-Aer d’IBM) sur cette même architecture Todoroki. Il a cependant été optimisé grâce à un compilateur exploitant le jeu d’instructions vectorielles du processeur A64FX-ARM, précise Fujitsu.
Avec ce simulateur, le groupe japonais poursuit les mêmes objectifs que ses concurrents, à l’instar d’Atos avec sa QLM (quantum learning machine). « Il s’agit de permettre d’étudier le fonctionnement des algorithmes quantiques (ceux qui tirent le meilleur parti des spécificités du calcul quantique, ndlr) et les challenges posés par l’ingénierie quantique, explique David Snelling. Le bruit et la décohérence peuvent être programmés pour modifier le comportement du simulateur, de manière à ce que les développeurs puissent mettre au point diverses stratégies pour améliorer leurs algorithmes. »
La première application concrète, en collaboration avec Fujifilm, vise à évaluer des algorithmes quantiques décrivant des réactions chimiques pour la conception de nouveaux matériaux. Dans l’intervalle, une version à 40 qbits de Todoroki est prévue en septembre prochain. Le premier véritable ordinateur quantique de Fujitsu devrait être lancé en 2023, selon David Snellling.
