S'initier à l'informatique quantique en utilisant les visualisations de Classiq

Étant donné que l'informatique quantique utilise des algorithmes complexes et des états quantiques, la courbe d'apprentissage est abrupte pour s'initier à ce domaine sur le plan conceptuel. Certains disent que l'informatique quantique est encore dans les années 70, que nous sommes à l'ère des cartes perforées et de la programmation au niveau de la porte d'entrée. D'une certaine manière, c'est vrai. 

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La sphère de Bloch constitue un excellent point d'entrée pour comprendre les concepts quantiques fondamentaux tels que les états d'un bit quantique ("qubit") visualisés sur la surface d'une sphère. Le développement d'une intuition visuelle des idées quantiques fondamentales fournit une carte mentale pour apprendre comment les composants vitaux tels que les portes à qubit unique fonctionnent dans l'informatique quantique. Certaines plateformes quantiques s'adressent spécifiquement à la programmation au niveau des portes, ce qui signifie visuellement appliquer des rotations à la sphère de Bloch, mais même dans ce cas, il est difficile de visualiser des concepts tels que l'intrication et les portes à qubits multiples. 

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Mais, tout comme la programmation a évolué, passant de la gestion de la mémoire à des langages plus abstraits, l'informatique quantique connaît une transition similaire. La capacité de visualiser des concepts théoriques et abstraits est un mécanisme essentiel pour faire progresser l'informatique quantique de son état actuel vers l'avenir. Cette évolution est facilitée par des plateformes telles que Classiq qui explorent les concepts quantiques par le biais de visualisations : synthèse et modélisation de circuits, contraintes et optimisation matérielle et logicielle.

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L'informatique quantique pour tous avec la pensée algorithmique

Ces outils contribuent au développement d'algorithmes quantiques en améliorant la compréhension, en permettant aux utilisateurs de faire les meilleurs choix possibles pour l'utilisation des ordinateurs quantiques et en simplifiant le processus de conception des circuits. Il n'est pas nécessaire de réinventer la roue pour chaque algorithme quantique. Cela rend l'informatique quantique plus accessible et plus efficace pour les développeurs et les chercheurs, tant au sein de l'informatique quantique que pour les experts de domaines extérieurs à l'informatique quantique.

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Au lieu de coder au niveau des portes, Classiq permet aux utilisateurs de se concentrer sur le "quoi" - la fonctionnalité de l'algorithme. Ensuite, il génère automatiquement le "comment" - un circuit qui remplit cette fonctionnalité tout en optimisant les contraintes du monde réel. 

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Cette approche présente plusieurs avantages :

• Efficacité : Elle permet de gagner du temps, en particulier lorsqu'il s'agit d'un grand nombre de qubits.
• Estimation des ressources : Les utilisateurs peuvent estimer les ressources nécessaires à l'exécution d'un algorithme avant de commencer le développement personnalisé.
• Accessibilité : Il rend l'informatique quantique utilisable par des personnes extérieures à l'informatique quantique, car les experts n'ont pas besoin de se plonger dans les subtilités du matériel de bas niveau.
• La protection de l'avenir : Au fur et à mesure que la complexité des ordinateurs quantiques augmente, l'approche de Classiq reste réalisable, alors que le codage de bas niveau devient impraticable.

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Les défis de la programmation "To The Metal" (jusqu'au métal)

Vous ne devriez pas avoir besoin de plusieurs doctorats en physique quantique et en informatique, ET d'une expertise dans les domaines de la chimie, de la finance ou de l'aérospatiale, pour être en mesure d'utiliser un ordinateur quantique. À moins que vous ne souhaitiez devenir Dr. Banner, alors, bien sûr, foncez !

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Avec la complexité croissante des ordinateurs quantiques, la programmation "au pied de la lettre" devient infaisable. Si la programmation de bas niveau a toujours sa place, comme dans l'informatique classique, de nombreux ingénieurs et experts souhaitent exploiter la puissance de l'informatique quantique sans avoir à se plonger dans les défis de l'ingénierie matérielle, par exemple :

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• Complexité de la gestion des qubits : Lorsque vous ajoutez des qubits, vous devez non seulement tenir compte des qubits eux-mêmes, mais aussi gérer le contrôle des interactions par paires et des portes à deux qubits. Cela nécessite une logique de contrôle supplémentaire et peut rapidement devenir ingérable.
• Optimisation du matériel : S'assurer que les qubits les plus fréquemment utilisés restent stables est crucial pour un calcul quantique efficace. Cela implique de comprendre l'architecture matérielle sous-jacente et d'optimiser le code en fonction des changements de calibration quotidiens, des taux d'erreur des qubits et même des qubits "morts". 
• Complexité exponentielle de la correction des erreurs : Avec chaque nouveau qubit ajouté, les interactions potentielles et les temps d'algorithme augmentent de façon exponentielle, créant plus d'erreurs (et un nouveau sous-domaine dans lequel devenir un expert !)

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Un voyage visuel à travers l'informatique quantique

Pour nous autres, simples mortels, Classiq n'est pas simplement une autre plateforme d'informatique quantique ; c'est un changement dans la façon dont nous concevons les programmes quantiques. La plateforme Classiq met l'accent sur la pensée "algorithmique". L'approche de programmation fonctionnelle de l'informatique classique permet aux experts du domaine d'utiliser un ordinateur quantique sans avoir besoin de comprendre les rouages du système. Alors que les boucles n'ont pas d'analogue dans l'informatique quantique ! 

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Le moteur de synthèse de Classiq explore un vaste espace de conception pour choisir le circuit optimal, éliminant ainsi le besoin d'optimisation manuelle tout en rendant le code plus portable entre les différents fournisseurs de matériel. Au-delà des algorithmes, Classiq offre :

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• Visualiseurs de circuits, 
• Tableaux de comparaison du matériel, et
• Cartes de connectivité des circuits.

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Ces outils permettent non seulement d'améliorer la compréhension, mais aussi de s'assurer que l'architecture quantique choisie reste optimale, sans qu'il soit nécessaire d'avoir des connaissances spécifiques sur le matériel. 

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Pour montrer à quel point cela peut rendre la programmation quantique étonnante et accessible, suivons le parcours d'un chercheur qui utilise les outils de Classiq pour accélérer sa recherche en chimie quantique. 

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Expertise spécifique à un domaine 

Le visualisateur de circuits est un plan d'action pour comprendre les circuits quantiques et leurs configurations. Il simplifie la courbe d'apprentissage pour les nouveaux venus en offrant une représentation visuelle des circuits quantiques. L'expert du domaine peut examiner et manipuler les contraintes sur les circuits en fonction de ce qu'il souhaite accomplir. En faisant abstraction des détails au niveau des portes, le visualiseur de circuits ouvre des portes aux experts en finance, en chimie, en cybersécurité et aux experts du domaine, qui peuvent ainsi contribuer à l'optimisation des algorithmes. 

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Par exemple, un chimiste quantique qui utilise un ordinateur quantique pour accélérer ses recherches ne devrait pas avoir besoin d'écrire des milliers de lignes de code de bas niveau du Variational Quantum Eigensolver (VQE) qui fait de la simulation chimique. Il doit se concentrer sur les parties du problème qui requièrent une expertise dans le domaine, comme la structure chimique des composés optimisés pour la synthèse ou la recherche. 

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La VQE implique des circuits quantiques complexes et nécessite traditionnellement l'écriture de milliers de lignes de code pour être mise en œuvre. Cependant, grâce à la modélisation des circuits de Classiq, ce processus devient accessible à un plus grand nombre d'utilisateurs. Les chercheurs peuvent rapidement générer des circuits quantiques optimisés pour la VQE, réduisant ainsi le temps et les efforts nécessaires à la mise en œuvre. 

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Ici, nous pouvons ajouter les atomes, le spin, la charge, les mappings et choisir le nombre de qubits pour générer la structure permettant à l'ordinateur quantique de trouver les niveaux d'énergie. Cela permet aux experts en chimie de se concentrer sur leurs connaissances spécifiques et sur les aspects scientifiques de leur recherche plutôt que de s'enliser dans le développement d'algorithmes à partir de zéro. C'est prêt à l'emploi ! 

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Vous trouverez ci-dessous deux options de circuits pour la détermination du prix des options d'achat européennes. L'un a été optimisé pour la largeur (nombre de qubits dans le circuit) et l'autre pour la profondeur (nombre de portes dans une rangée).

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En creusant dans le visualiseur, nous pouvons voir le résumé des informations du circuit sur la gauche, qui comprend la profondeur, la largeur et le nombre de portes nécessaires pour exécuter cet algorithme. Le circuit généré ci-dessous, en un seul clic, est optimisé pour la profondeur, ce qui permet d'économiser des tonnes de temps en réécrivant manuellement le code au niveau des portes. 

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Cependant, nous pouvons encore faire mieux. Bien que nous ayons ajouté des paramètres tels que le nombre de qubits et permis au modèle d'optimiser la profondeur ou la largeur du circuit, ce circuit n'est pas encore optimisé pour le matériel réel. N'oubliez pas que TOUT peut être modifié pour vous permettre de tester différentes optimisations !

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Hardware Awareness avec tableaux comparatifs

"La carte n'est pas le territoire

• Alfred Korzybski 

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Le circuit généré n'est pas celui qui est directement mis en œuvre sur le matériel quantique. Un algorithme quantique de haut niveau qui ne dépend pas d'un matériel spécifique doit être transformé par synthèse (compilation) et traduction (transpilation) en instructions compatibles avec le matériel quantique particulier - c'est-à-dire les portes (rotations) qu'il acceptera, la consolidation d'une série de portes en une seule porte équivalente et les ajustements tels que le routage des qubits.

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Dans Classiq, nous pouvons choisir n'importe quel matériel dans la liste et l'exécuter sans modifier notre code.  

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Vous vous dites alors : d'accord, c'est cool, mais même dans ce cas, je ne suis pas un expert en matériel informatique - lequel dois-je utiliser ?

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Les tableaux de comparaison de matériel sont une nouvelle fonction astucieuse qui permet de gagner beaucoup de temps. Il vous suffit de sélectionner le matériel que vous souhaitez étudier et de cliquer sur "Comparer le matériel".  

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Ce qui apparaît, ce sont les estimations de ressources réelles pour un matériel spécifique pour ce circuit. Pour cet exemple, nous constatons que pour le circuit VQE simple, le QPU IonQ bat le Guadalupe d'IBM sur tous les paramètres : profondeur, nombre de portes multi-qubits (qui sont plus sujettes aux erreurs que les portes à qubit unique et prennent plus de temps), et nombre total de portes. 

Sans rien savoir du matériel (saviez-vous que le QPU IonQ est un processeur quantique à ions piégés et que le Guadelupe d'IBM est constitué de qubits supraconducteurs ? Maintenant vous savez !), nous pouvons commencer à penser que le processeur IonQ pourrait être le meilleur pour exécuter votre algorithme.

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Les tableaux de comparaison du matériel ne contiennent pas tout - ils ne contiennent pas le temps d'exécution du circuit, ni les taux d'erreur - mais c'est un début. Même dans ce cas, si vous n'êtes pas sûr, vous pouvez exécuter votre circuit sur les deux types de matériel quantique sans travail supplémentaire, et comparer les résultats.

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Il n'y a pas de codage, pas de réécriture du même code pour différentes plateformes, et pas d'optimisation manuelle. C'est ainsi que nous obtenons un avantage quantique.  

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Circuits spécifiques à une application pour une optimisation plus poussée

Et si vous aviez votre propre ordinateur quantique ? Notre chercheur se rend compte qu'il peut utiliser la carte de connectivité des circuits pour utiliser les mêmes boucles d'optimisation pour du matériel personnalisé.

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Si les ordinateurs quantiques sont aujourd'hui basés sur le cloud, les solutions sur site sont appelées à se développer, selon Hyperion Research : Snapshot of Quantum Computing Market (05/2021). Les systèmes sur site répondent aux besoins de nombreux utilisateurs précoces de matériel d'informatique quantique, qui exigent la confidentialité des données sur les entrées de données propriétaires et l'intégration avec l'informatique classique pour les algorithmes hybrides. 

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Mais la création d'un système logiciel quantique complet à partir de zéro pour les systèmes sur site constitue une autre barrière à l'entrée.

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La carte de connectivité des circuits (CCM) permet au système de comprendre la connectivité des qubits. En d'autres termes, la CCM visualise les connexions entre les qubits et permet l'utilisation de Classiq pour le matériel personnalisé.

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La plateforme ne se concentre pas seulement sur la conception d'algorithmes, mais veille également à ce que le matériel soit continuellement lié aux changements. Cette relation symbiotique entre le logiciel et le matériel permet aux systèmes quantiques d'atteindre un avantage quantique. Pour en savoir plus sur la coconception, consultez le précédent billet de la série, La clé de l'informatique quantique à pile complète.