Il y a bien peu de monde dans ce café du 5eme arrondissement parisien. En ce début d’après-midi de décembre, les quelques clients du midi sont partis et les très nombreux étudiants du soir ne sont pas encore arrivés. Le patron discute, en grec, avec un habitué. Dans le fond, une télé sans le son surplombe Yoann Pietri, doctorant au laboratoire d’informatique de Sorbonne Université (LIP6). Il tente d’expliquer, schémas à l’appui, le fonctionnement du logiciel d’informatique quantique qu’il vient d’écrire sur son ordinateur portable. Pour le suivre, il faut s'accrocher!
De l’informatique quantique dans un café étudiant? Cela peut paraître surprenant, tant ces complexes machines semblent encore confinées aux laboratoires. Mais rassurez-vous, le doctorant n’a pas trafiqué son ordinateur pour y mettre des qubits. Il accède, à distance, au calculateur photonique de Quandela, le premier processeur quantique européen accessible en cloud. Mis en ligne le 15 novembre, il est accessible à quelques béta-testeurs et à L’Usine Nouvelle, qui a bénéficié d’un avant-goût exclusif.
Mais pour tester un ordinateur quantique... encore faut-il s'y connaître en programmation quantique! Malgré de lointaines notions d'informatique et un accès à la plateforme de programmation de Quandela, le journaliste spécialiste du quantique de votre magazine préféré s'est trouvé bien embêté lorsqu'il fallut écrire une ligne de code. D'où sa présence auprès du doctorant qui, lui, maîtrise réellement le sujet.
Des chemins pour les photons
C'est lors d’un hackathon organisé par la start-up au campus Pierre et Marie Curie de la Sorbonne début novembre – juste avant la mise en ligne de son processeur, Ascella, et de son interface de programmation open source dédiée, Perceval – que Yoann Pietri, spécialisé dans la cryptographie quantique, s’est essayé à la programmation. En échange d’un café, il explique les bases du fonctionnement d’un algorithme d’informatique quantique photonique et présente, pour illustrer l'intérêt de la technologie, le projet qu'il a réalisé lors de l'événement.
«Un programme est composé de plusieurs chemins, appelés des voies d’entrée, sur lesquels nous pouvons envoyer un ou plusieurs photons», présente-t-il. La puce de Quandela peut accueillir jusqu’à 12 chemins et permet d’y envoyer quatre photons, soit autant de qubits. «Nous allons ajouter des composants optiques sur ces voies pour agir sur le cheminement ou l’état des photons, continue-t-il. C’est ce qui va nous permettre de faire des calculs.»
Ainsi, les lignes de code tapées sur un ordinateur portable, dans n'importe quel coin du monde, vont aboutir à l'agencement particulier de guides d'ondes et de composants sur la puce, dans les locaux de la start-up à Massy (Essonne). Et à l'envoi de photons sur le dispositif pour effectuer des calculs. Ce qui signifie que si plusieurs utilisateurs peuvent bien se connecter à la plateforme cloud de Quandela, l’ordinateur physique de la pépite, lui, ne pourra traiter les requêtes que les unes à la suite des autres.
Les chemins dont parle Yoann Pietri, sur lesquels le programmateur va placer des photons, sont à la fois virtuels et réels : pour l'utilisateur de la plateforme, il s’agit de lignes dessinées qui sont «manipulables» à distance ; chez Quandela, ces lignes correspondent à des réels chemins ancrés dans la puce de l'ordinateur. Positionnés à la sortie de chaque chemin, des détecteurs permettent de déterminer la voie de sortie des qubits et, donc, le résultat d'une opération. Reste une subtilité : pour donner un résultat, le programme doit être exécuté de nombreuses fois. «L’information se trouve davantage dans la distribution de probabilités que dans le résultat d’un calcul isolé», précise le chercheur.
Gautier Virol Schémas à l'appui, Yoann Pietri tente de nous expliquer la programmation quantique. Crédit : Gautier Virol
Le café englouti, place à un exemple concret. En deux lignes de code, Yoann Pietri place un premier composant, un séparateur de faisceau, pour créer une intersection entre les deux chemins. Désormais, un photon inséré sur la première voie aura autant de chance de rester sur sa voie que de sortir sur la seconde. C’est l'une des fonctions de base proposée par l’interface de programmation, qui en compte une dizaine. Pour sa démonstration, il l’utilise avec un composant de changement de phase, qui permet d’interférer sur l’état du photon.
En combinant ces deux composants, le spécialiste créé un interféromètre de Mach-Zehnder. Derrière ce terme barbare se cache «un bloc de base qui nous permet de faire toutes les opérations que l’on souhaite avec deux entrées», présente-t-il. C’est notamment cet outil qu’il a utilisé pour réaliser son projet lors du hackathon : un programme d’apprentissage par renforcement… quantique.
Algorithme de Grover
«Le but du hackathon était, en deux jours, de reproduire des travaux présentés dans une publication scientifique, et d’essayer d’aller un peu plus loin», raconte Yoann Pietri. Son projet se base sur l’algorithme de Grover, découvert en 1996, qui permet de trouver rapidement un élément dans une liste. Alors qu’un ordinateur conventionnel doit parcourir chaque élément de la liste pour trouver celui qu’il recherche, l’algorithme de Grover, lui, fait apparaître la bonne réponse à partir de la superposition de l’état quantique de tous les éléments de la liste.
Pédagogue, le chercheur essaie tant bien que mal d’expliquer ce qui ressemble à de la magie. «Cet algorithme utilise un oracle : une fonction qui connaît l’élément que l’on cherche et qui en change la phase parmi tous les états superposés, décrit-il. Une fois l’élément gagnant marqué, nous appliquons une opération d’amplification qui le fait apparaître entre les mauvaises réponses.» Malgré des schémas censés expliquer la chose, nous voilà lancés. Sans être certains d’avoir tout compris.
Reste maintenant à utiliser cet élément «comme brique de base pour faire quelque chose de concret : un algorithme d’apprentissage par renforcement quantique», présente Yoann Pietri. Plus simple à appréhender, l’apprentissage par renforcement fonctionne de la manière suivante : un robot effectue une action ; si cette action est la bonne, il reçoit une récompense. Sinon, il ne reçoit rien. En cherchant à récupérer davantage de récompenses, le robot va, à force d’itérations, augmenter progressivement sa probabilité de réaliser l’action souhaitée.
«Dans ce cadre, l’algorithme de Grover peut nous permettre de nous rapprocher plus rapidement de l’action gagnante», pose l’expert. Mais la solution n’est pas miraculeuse. «Si on l’utilise trop, la probabilité de trouver la bonne réponse s’inverse», continue-t-il. Sur un schéma les courbes d’apprentissage des deux approches permettent de se représenter la chose. L’algorithme classique évolue progressivement jusqu’à atteindre un taux de succès de 90%. L’algorithme quantique, lui, grimpe très vite à 40% avant de dériver et de retomber lentement vers 0.
De là vient l’idée de prendre le meilleur des deux mondes. «Nous pouvons combiner les deux approches pour démarrer avec l’algorithme de Grover puis, dès qu’il passe son pic, utiliser l’algorithme classique», explique le chercheur. Traduite en circuit de photonique quantique, cette approche se réduit à quatre voies d’entrée, deux qubits (un pour l’action, l’autre pour la récompense) et de nombreux interféromètres de Mach-Zehnder. Exécuté 10 000 fois, avec 1 000 étapes d’apprentissage à chaque fois, le résultat se révèle dans une courbe légèrement irrégulière, à la progression bien plus efficace que les deux autres. Mission accomplie.
Yoann Pietri et al Les courbes d'apprentissage des différentes approches : classique (bleu), quantique (orange) et hybride (verte).
Yoann Pietri et al Représentation schématique de l'algorithme hybride d'apprentissage par renforcement.
Si les expérimentations de Yoann Pietri ont été réalisées sur un des deux simulateurs accessibles sur le cloud de Quandela, le chercheur et son équipe ont pu, pendant le hackathon, effectuer une soixantaine de calculs sur la véritable puce quantique. L’Usine Nouvelle, elle, s’est vu offrir un accès exclusif à la machine pour y faire tourner un programme – l’algorithme de Grover – généreusement rédigé par le doctorant.
Encore dans sa version béta, l’offre cloud de Quandela mise en ligne le 15 novembre n’est pas encore accessible à tous. «Nous allons passer en production et mettre en place une tarification en 2023, présente Valérian Giesz, PDG et cofondateur de la start-up. Nous avons déjà donné des accès à des chercheurs et étudiants qui se connectent depuis toute l’Europe.» Quelques jours avant la mise en ligne du processeur, la start-up était encore «en train de faire tous les branchements», s’amuse l’entrepreneur.
Encore des optimisations à venir
Cela ne retire en rien aux performances de leur offre. «C’est impressionnant de voir que nous pouvons réaliser des calculs très différents sur un même processeur physique, composé de guides d’ondes et de composants optiques configurables, admire Yoann Pietri. Le fait qu’ils aient développé une interface de programmation et un simulateur aussi qualitatifs, en seulement un an, est aussi remarquable.» Le chercheur identifie cependant quelques points d’amélioration, notamment pour optimiser le temps de configuration de la puce avant chaque calcul, qui peut prendre jusqu’à 30 secondes. Et collabore avec la start-up pour y remédier.
«En cinq ans, nous n’avons levé que 20 millions d’euros, rappelle Valérian Giesz. Pourtant, nous avons un ordinateur quantique dans le cloud, contrairement à certains de nos concurrents qui ont levé dix fois plus.» Un côté David contre Goliath dans lequel ne veut pas s’enliser le cofondateur. «La question des recherches de fonds et de l’industrialisation arrive, nous avons envie de passer à la vitesse supérieure», prévient-il. Un investissement de la Banque européenne d’investissement (BEI) et une subvention du Conseil européen de l’innovation (EIC) doivent bientôt remplir les caisses de la start-up. Pour lancer une année 2023 qui devrait être décisive.
