L'avenir des ordinateurs quantiques est presque venu - mais sommes-nous prêts pour cela?

À l'approche du temps de nouveaux équipements utiles, le facteur humain dans le calcul devient critique

L'avenir de l'informatique est un énorme réservoir en métal? Je serai déçu s'il s'avère qu'à l'intérieur, il n'y a qu'un gars avec un ordinateur portable et Google.

Yorktown Heights, New York. Je suis dans la pièce où se trouve l'une des options pour le futur calcul. L'ordinateur lui-même ne fait pas grande impression et ressemble à un réservoir métallique suspendu au plafond. Le bruit fait une impression - les coups métalliques périodiques qui règnent dans la pièce. C'est le bruit du système de refroidissement, amenant l'équipement à une température proche du zéro absolu. Et il n'y a pas de puce ordinaire qui y soit refroidie - c'est l'approche d'IBM en matière d'informatique quantique.

En 2016, IBM a fait une annonce sensationnelle invitant le public à essayer une première version de son ordinateur quantique, contenant seulement cinq qubits - ce qui est trop peu pour un ordinateur sérieux, mais suffisant pour que les gens acquièrent une véritable expérience de programmation avec la nouvelle technologie. La technologie évoluait rapidement et IBM a installé plus de réservoirs dans sa salle informatique quantique et ajouté de nouveaux processus au besoin. La société a déjà étendu le projet à 20 qubits et a annoncé avec optimisme qu'elle préparait une version avec 50 qubits.


Comme la plupart des premiers ordinateurs de l'entreprise, le nouvel ordinateur quantique d'IBM est enfermé dans un boîtier beige

Lorsque nous avons récemment visité le centre de recherche. Thomas Watson, les chercheurs de l'entreprise, ont été plus prudents dans leurs déclarations, soulignant qu'ils n'avaient fait aucune promesse et qu'un ordinateur à 50 qubits n'était qu'une autre étape importante sur la voie de l'avenir des ordinateurs quantiques. Mais ils nous ont convaincus qu'IBM est assuré de participer à cet avenir, notamment en raison des particularités de l'écosystème que l'entreprise crée autour de ses premières tentatives.

Blocs de construction de puce

Pour créer des qubits, IBM utilise des fils supraconducteurs connectés au résonateur, montés sur un substrat de silicium. Les fils et le substrat permettent à l'entreprise d'utiliser toute l'expérience acquise dans la création de circuits électroniques, mais dans ce cas, le fil est un mélange de niobium avec de l'aluminium, ce qui lui permet d'être supraconducteur à des températures extrêmement basses. Jerry Chau, qui nous a montré la salle d'inspection des équipements, a déclaré que la société expérimente toujours des détails dans le domaine de l'amélioration des qubits et teste diverses formules et géométries.

Le résonateur est sensible à la fréquence micro-ondes, ce qui vous permet d'affecter ou de lire la valeur qubit à l'aide d'impulsions micro-ondes. Chaque puce possède des éléments optiques qui reçoivent des micro-ondes à l'entrée et les dirigent vers des qubits individuels. Les micro-ondes seuls ne se distinguent pas, de sorte que la saisie des données est organisée à l'aide de composants existants préfabriqués. La seule difficulté est de transférer les données d'entrée sur une puce profondément immergée dans un réservoir d'hélium liquide. Les équipements conçus à cet effet doivent non seulement résister à des températures extrêmement basses, mais également survivre en chauffant à la température ambiante. Bien que, une fois refroidi, l'équipement puisse fonctionner sans fin sans nécessiter de remplacement.


Partie du système de refroidissement contenue dans des réservoirs. L'hélium liquide vous permet d'abaisser les températures au zéro presque absolu

L'informatique quantique est basée sur les subtilités des qubits. Chow nous a dit que pour confondre deux des qubits, vous pouvez vous fier au fait qu'ils ont des fréquences de résonance légèrement différentes. Si nous nous adressons à chaque membre d'une paire de qubits en utilisant la fréquence de résonance de son partenaire, ils peuvent être confondus. Ensuite, des ensembles de paires peuvent être enchevêtrés dans des systèmes d'ordre supérieur. La cohérence des qubits est maintenue pendant 100 μs, mais quelques qubits peuvent être confondus pendant 10 ns. Chow a déclaré que maintenant, il faut plusieurs microsecondes pour emmêler la puce, ce qui donne suffisamment de temps pour préparer l'ensemble du système et effectuer des calculs.

Donc, si tout est si simple, pourquoi n'avons-nous toujours pas de puce à 50 qubits?


Contrôle de refroidissement externe - mais pas un ordinateur quantique

Le problème est que les qubits sont extrêmement sensibles au bruit externe. Il peut s'agir de bruit à l'extérieur de l'appareil (bien qu'un réservoir métallique aide à protéger la puce). Il peut s'agir de bruit interne - un système de refroidissement, des câbles micro-ondes, les composants de la puce eux-mêmes - tout cela peut interagir avec les qubits. Et toute interaction est catastrophique pour les calculs.

Cela signifie que tout changement dans l'architecture de la puce, même l'ajout d'un seul qubit, peut potentiellement changer la fréquence et le type d'erreurs lors des calculs. IBM est engagé dans une modélisation rigoureuse, essayant de limiter ces problèmes à la fabrication de la puce, mais, dans un sens, il s'agit d'un processus empirique et étape par étape: vous devez utiliser la puce et voir ce qui se passe. "L'ajout de nouveaux qubits nous permettra d'identifier les sources de bruit et de diaphonie", a déclaré Chau.

Cela est également indiqué par Sarah Sheldon, l'une des scientifiques travaillant sur les systèmes micro-ondes qui contrôlent et lisent les données des qubits. "Nous avons de bons outils pour décrire les composants individuels, mais il n'y a pas de méthodes appropriées pour décrire l'ensemble du dispositif", a déclaré Sheldon. «Lorsque nous augmentons le système, nous sommes confrontés à des situations dans lesquelles le contrôle d'un qubit peut entraîner des erreurs ailleurs.» Elle a ajouté plus tard: "Nous approchons de la limite après laquelle classiquement ces appareils ne peuvent plus être simulés - et comment alors dire s'ils fonctionnent correctement?"


Et tout ça pour le plaisir? L'une des puces de test d'un ordinateur quantique

Supériorité ou volume?

L'idée d'un ordinateur quantique est qu'il peut effectuer des calculs d'un certain type cardinalement plus rapidement que les ordinateurs ordinaires. En employant un nombre suffisant de qubits, un ordinateur quantique sera capable de faire face à des tâches qu'un ordinateur traditionnel prendrait plus de temps à résoudre qu'il n'en existe dans l'Univers. Le seuil, ayant franchi lequel un ordinateur quantique peut le faire, a été surnommé «supériorité quantique». Google, après avoir annoncé ses développements dans le domaine de l'informatique quantique en mars 2018, a évoqué ce concept.

Naturellement, Google a formulé son concept de supériorité quantique en termes de nombre autorisé d'erreurs (un montant que nous ne tolérerions pas avec un ordinateur traditionnel). IBM, en revanche, développe des qubits de correction d'erreurs. Malheureusement, ce système nécessite plusieurs qubits supplémentaires. Bob Sator, vice-président d'IBM de l'informatique quantique, a suggéré qu'un ordinateur quantique avec plusieurs centaines de qubits corrigeant les erreurs aurait besoin de milliers de qubits pour fonctionner.



Rappelons que l'entreprise travaille toujours sur un système avec 50 qubits qui ne sont pas impliqués dans la correction d'erreurs. Dans un avenir proche, la supériorité quantique ne nous menace pas.

Au lieu de cela, IBM suggère de commencer à penser en termes de «volume quantique», une mesure combinant le nombre de qubits utilisés pour les calculs avec le nombre d'erreurs. Le volume quantique permettrait une comparaison significative des ordinateurs d'IBM et des machines décrites par Google. Cependant, cette mesure ne nous permettra pas de savoir à quel point chacune de ces machines sera utile.

Et, dans une certaine mesure, la réponse à cette question ressemble à: "Cela dépend." Dans certains cas, vous pouvez en toute sécurité accepter les erreurs. La factorisation simple d'un grand nombre, par exemple, peut être vérifiée instantanément sur un ordinateur classique. Dans d'autres cas, des erreurs rendront le résultat des calculs peu fiable et il n'y aura aucun moyen facile de le vérifier. Par conséquent, les ordinateurs actuels sont un peu étranges. «Nous pouvons faire quelque chose dont le comportement ne peut être prédit de façon classique et dont le travail n'est pas sujet aux erreurs», a déclaré Jay Gambetta, directeur du groupe d'étude sur l'informatique quantique et l'information chez IBM. "Nous ne savons pas ce qui peut être calculé avec leur aide."

Il a noté que de nombreux algorithmes informatiques classiques ont d'abord été créés, et seulement alors leur efficacité a été prouvée. Dans le cas des ordinateurs quantiques, il est assez difficile de prouver quelque chose.

Vous pouvez simplement vous tourner vers les statistiques: exécutez l'algorithme plusieurs fois (éliminant potentiellement tout ou partie des avantages de l'accélération quantique) et prenez la réponse la plus fréquente. IBM résout ce problème, notamment par la participation du public, en invitant tout le monde à essayer ses ordinateurs. S'ils sont utiles pour quelque chose dans l'état actuel, il y a une chance que quelqu'un le devine.

SDK pour QC

Comment inciter le public à travailler sur une machine qui a besoin d'une infrastructure qui assure le refroidissement de l'hélium liquide et qui ne peut pas exécuter les logiciels existants? Une partie de la réponse à la question se situe sur l'un des murs de la salle informatique, sous la forme d'un serveur plus traditionnel basé sur le microprocesseur POWER . Le serveur accepte les tâches envoyées par des personnes qui se sont inscrites pour tester l'équipement quantique. Parmi eux, il y a à la fois de grandes sociétés financières et des étudiants en informatique.

Mais IBM s'appuie sur une autre partie de la réponse: le SDK de haut niveau, qu'il appelle QISKit. Comme le décrit son développeur de systèmes de contrôle, Sarah Sheldon, les impulsions micro-ondes de ce système reposent sur un ensemble de générateurs de signaux arbitraires, de mélangeurs et d'amplificateurs. Mais QISKit permet aux utilisateurs d'ignorer tous ces détails. Il leur permet d'attribuer l'état initial des qubits individuels et de leurs connexions, puis le logiciel - quelque chose comme un compilateur quantique - le traduit en un ensemble d'impulsions lumineuses nécessaires au fonctionnement du système comme il se doit. "Vous ne rencontrerez jamais d'impulsions micro-ondes", promet Jay Gambetta.

La programmation se déroule en Python, permettant aux gens d'utiliser les compétences existantes.


Le système de refroidissement est fermé et l'hélium n'a pas à être remplacé

La simplification de l'accès est un moyen sûr d'encourager la participation de tiers, mais le succès de l'entreprise a confié à IBM la tâche de gérer la communauté. Gambetta a souligné que QISKit et le compilateur compagnon ont été créés afin d'obtenir un système fonctionnel. Il a expliqué comment rendre le système plus modulaire afin qu'il puisse inclure les contributions de divers utilisateurs - à son avis, l'équipe IBM a déjà accumulé plus de contributions au code qu'elle ne peut en gérer. Il a également mentionné qu'il aimerait commencer à collecter quelque chose comme des bibliothèques de code, notant que des choses comme l'implémentation d'une transformation de Fourier rapide ont montré leur valeur dans la résolution d'un grand nombre de problèmes.

Et bien qu'IBM encourage de tels efforts, Gambetta espère également que les gens éveilleront naturellement l'intérêt pour ce sujet. Depuis sa naissance, l'informatique quantique a pour la plupart été dans le domaine de la physique. Les informaticiens ne voyaient aucune raison de le faire, car l'équipement ne pouvait tout simplement pas leur fournir de calculs. La situation commence à changer, et la contribution des informaticiens peut être critique pour le développement de ce domaine, car, comme le note Gambetta, «ils pensent les problèmes différemment, pas comme nous les physiciens».

Il est également optimiste quant à l'utilisation de l'équipement IBM dans les cours d'informatique. Lorsque l'informatique quantique deviendra une partie intégrante de l'éducation des gens, il leur sera plus facile de se rapporter à eux en tant qu'instrument utile pour un ensemble spécifique de tâches. À ce stade, un ordinateur quantique deviendra quelque chose comme un GPU ou un autre équipement spécialisé, dans le sens où les gens ont juste besoin de décider si une accélération possible de l'écriture de code spécial en vaut la peine.

En général, après la visite, j'ai eu l'impression que l'informatique quantique était arrivée à un point de transition. Une partie de la visite était nécessaire pour examiner l'équipement, mais cela pourrait devenir la partie la moins intéressante de cette zone. Avec le mouvement du progrès et l'ajout de nouveaux qubits, le processus sera une lente amélioration et des tests empiriques. Et l'équipement caché à l'intérieur d'un réservoir soigneusement isolé rempli d'hélium liquide n'est pas la chose la plus intéressante à voir.

Toute la tâche se résume maintenant à la façon de tirer le meilleur parti des équipements existants et comment ils peuvent être utilisés pour garantir notre disponibilité à augmenter les capacités des ordinateurs. Et à ce moment, le facteur humain - la collecte d'expérience et la gestion communautaire - devient de plus en plus important.