Puces quantiques et classiques cherchent à faire bon ménage

Un ordinateur quantique autonome abritant plusieurs millions de qubits et capable de résoudre des problèmes hors de portée du plus puissant des supercalculateurs ? Il faudra s’armer de patience… D’où l’idée d’une solution intermédiaire pour exploiter les premières machines quantiques de quelques centaines de qubits. Bien qu’imparfaites et très limitées, celles-ci pourraient être greffées aux centres de calcul existants afin d’évaluer leur promesse d’accélération en matière de calcul intensif appliqué aux simulations numériques les plus exigeantes.

Cette hybridation est déjà sérieusement étudiée, au point d’avoir donné corps en 2021 au projet européen HPCQS (High performance computer and quantum simulator hybrid), qui a lui-même essaimé en France avec l’Initiative pour l’hybridation quantique (HQI). Autre signe de l’effervescence autour de ce sujet, du beau monde était convié au séminaire organisé en janvier par l’association Teratec et EDF Lab sur ce même thème : Amazon, IBM, Microsoft, Atos, mais aussi les deeptechs françaises Pasqal, Quandela et Alice & Bob, toutes dans la course à l’ordinateur quantique.

Rapprocher physiquement les QPU des CPU

Coupler une unité de calcul quantique (QPU) et un système informatique classique (reposant sur des processeurs, ou CPU) signifie d’abord les rapprocher physiquement. Il y a une bonne raison à cela. «Plus le lien entre CPU et QPU sera fort, plus les algorithmes hybrides seront efficaces», affirme Stéphane Requena, le directeur technique du Grand équipement national de calcul intensif (Genci).

Les algorithmes tirant parti des spécificités du calcul quantique n’en sont pas moins traités alternativement par le CPU et le QPU. «Le premier dirige les itérations de l’algorithme tandis que le QPU, qui ne sait même pas faire une addition, exécute les primitives de très bas niveau», explique Jean Senellart, le responsable produit de Quandela. Or, le temps de cohérence d’un qubit (durant lequel les propriétés d’intrication et de superposition demeurent) oscille entre la nanoseconde et la microseconde.

L’intégration de capacités de calcul CPU dans le QPU est nécessaire pour ouvrir la voie à de nouvelles techniques algorithmiques.

—  Vivien Londe, ingénieur chez Microsoft

Maximiser les itérations de calcul durant le faible temps de «survie» du qubit impose de réduire la latence des échanges d’information entre le CPU et le QPU, donc de raccourcir le chemin qui les sépare. Ingénieur chez Microsoft, Vivien Londe, l’un des intervenants du séminaire, allait jusqu’à parler de «l’intégration de capacités de calcul CPU dans le QPU, nécessaire pour ouvrir la voie à de nouvelles techniques algorithmiques». En l’occurrence des variantes de l’algorithme d’estimation de phase quantique, dont les cas d’usage vont de la factorisation à la modélisation moléculaire.

Préserver la stabilité des qubits

Actuellement, les systèmes de calcul quantiques disponibles à la demande sont hébergés dans un cloud, qui fait office de simple passerelle d’accès. Le stade d’intégration décrit par Microsoft n’est pas à l’ordre du jour. Celui de l’intégration ultime – QPU et CPU logés sur une même carte mère, voire une même puce, et se partageant les instructions comme le font aujourd’hui processeur central et processeur graphique (GPU) – paraît lointain.

De nombreux défis techniques se posent, comme le fait de pouvoir refroidir un CPU à très basse température, comme l’exigent certaines technologies de qubits (supraconducteur, spin d’électron…). Par ailleurs, l’état d’un qubit est fragile et la moindre perturbation énergétique est susceptible d’entraîner sa décohérence. Présent au séminaire d’EDF Lab et Teratec, Jean-Charles Lafoucrière, le directeur du programme HQI, range parmi les menaces les systèmes de ventilation des centres de calcul, sources de poussières et de vibrations, et les fluctuations de l’alimentation électrique produites par les gros ordinateurs.

Le centre de calcul intensif de Jülich, en Allemagne, a levé une partie de ces contraintes en posant le système quantique de l’américain D-Wave sur un dispositif antivibrations. En France, le Très Grand Centre de calcul (TGCC)du CEA, qui va accueillir une machine de la start-up française Pasqal, prévoit d’aménager une pièce séparée. «La connexion aux nœuds de calcul de notre supercalculateur Joliot-Curie se fera dans un premier temps avec un lien ethernet de 10 Gbit/s», indique Stéphane Requena. Une liaison plus rapide Infiniband est évoquée plus tard, mais le couplage restera faible pour le moment.

L’hybridation logicielle progresse

Faute de pouvoir stocker l’information quantique, le nombre d’allers-retours entre CPU et QPU augmente et le QPU ne peut traiter qu’un petit jeu d’informations à la fois.

—  Stéphane Requena, directeur technique du Genci

Ce spécialiste du calcul intensif soulève aussi l’absence de mémoire quantique : «Faute de pouvoir stocker l’information quantique, le nombre d’allers-retours entre CPU et QPU augmente et le QPU ne peut traiter qu’un petit jeu d’informations à la fois, ce qui limite la taille et le type des problèmes auxquels ces machines peuvent s’attaquer.» Mais ces mémoires quantiques sont des technologies très exploratoires. La deeptech tricolore Welinq compte en faire usage pour interconnecter plusieurs types de QPU.

Sans attendre cette jonction matérielle, les travaux sur l’hybridation logicielle progressent. L’idée générale est d’orchestrer les processus de calcul entre CPU et QPU afin que ce dernier ne soit jamais au repos, une clé pour que le fameux «avantage quantique» advienne. En partant de sa machine d’émulation quantique (QLM), Atos a mis au point une configuration mêlant l’ordonnanceur Slurm (connu dans le milieu du calcul intensif) et un ordonnanceur de son cru, qui sera déployée à Jülich.

De son côté, IBM vient d’introduire les circuits quantiques dynamiques (séquences d’opérations sur les qubits) dans son service de calcul quantique disponible sur le cloud : des mesures intermédiaires par le CPU permettent de reconfigurer ces circuits en fonction des résultats, ce dont profiteront les fonctions de correction d’erreur. Un indice supplémentaire que l’hybridation quantique-classique est assurément en marche, même si la communauté des chercheurs et des ingénieurs est consciente des nombreux obstacles techniques à surmonter.