Podcast avec le professeur Robert Wille - L'automatisation de la conception à travers les âges

Mon invité aujourd'hui est Robert Wille, professeur d'informatique. Entre autres sujets, Robert et moi parlons de l'automatisation de la conception à travers les âges et des analogies entre la conception classique et le monde quantique.

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La transcription complète se trouve ci-dessous

Yuval: Bonjour, Robert, et merci de m'avoir rejoint aujourd'hui.

Robert: Bonjour, je suis ravi de vous accueillir.

Yuval: Qui êtes-vous et que faites-vous ?

Robert: Je m'appelle Robert Wille. Je suis professeur à l'université Johannes Kepler en Autriche. Depuis de nombreuses années, je travaille dans le domaine de l'automatisation de la conception. J'ai commencé par l'automatisation de la conception de circuits et de systèmes classiques. Mais aujourd'hui, depuis près de 15 ans, je travaille également au développement de méthodes correspondantes pour l'informatique quantique. C'est, je pense, la raison de ma présence ici.

Yuval: Et par souci de transparence, vous faites également partie de notre comité consultatif technique, et nous vous en sommes très reconnaissants. 

Que signifie l'automatisation de la conception ?

Robert: Cela signifie littéralement automatiser le processus de conception. Et dans ce cas particulier, bien sûr, de la conception de circuits et de systèmes. Mais il pourrait s'agir de beaucoup d'autres choses. La principale motivation est que nous devons faire face à une complexité considérable lorsque nous concevons et développons les systèmes d'aujourd'hui. Le prochain smartphone, la prochaine solution d'intelligence artificielle sont des systèmes que l'on ne peut plus créer, développer et concevoir manuellement. Il faut, à un moment donné, automatiser la conception, parce qu'on ne peut pas faire face à la complexité pure et simple.

Les systèmes d'aujourd'hui sont composés de millions, voire de milliards de transistors ou de composants, et il n'est plus possible de dessiner la liste des réseaux d'un tel système sur un tableau blanc. Il faut des méthodes automatiques de synthèse, de compilation, de vérification que tout fonctionne correctement, et c'est ce que nous développons. Et le principal défi, en effet, est de savoir comment faire face à cette énorme complexité.

Yuval: Est-ce que c'est comme VHDL ou Verilog ou ce genre de langages qui ont été développés depuis un certain temps ? Pourriez-vous me donner un peu plus de détails sur votre travail spécifique, sur ce qui intéresse votre groupe ?

Robert: Les langages de programmation ou les langages de description de matériel comme le VHDL sont quelques-uns des moyens que nous utilisons. Je dirais que 50 % de notre travail et de nos recherches sont encore consacrés au développement de méthodes pour l'informatique classique, mais que les 50 % restants concernent également les technologies émergentes, y compris l'informatique quantique.

Et puisque vous avez demandé un exemple précis, voici un scénario typique : vous avez conçu quelque chose, par exemple, en VHDL, comme un système de contrôle particulier, quelque chose qui contrôle un train ou un avion ou quelque chose de ce genre. La préemption du trafic est un exemple simple que nous utilisons dans nos cours. Vous l'avez développé en VHDL et vous pouvez maintenant vous demander : "Pouvez-vous le déployer de manière à vous sentir à l'aise dans l'utilisation pratique de ce système ? Ou préférez-vous avoir quelque chose comme une vérification, qui s'assure que rien de mauvais ne se produit ?" Rien d'inattendu ne se produit avec le système. Alors que faites-vous habituellement ?

Vous avez votre conception, par exemple, en VHDL. Vous avez ensuite certaines propriétés ou garanties de sécurité que vous souhaitez fournir. Nous développons alors des méthodes qui vous permettent de mettre votre conception et certaines propriétés, par exemple, à vérifier dans une boîte noire et, en appuyant sur un bouton, cette boîte noire détermine si votre propriété tient ou non, ou s'il peut y avoir une situation dans laquelle quelque chose de mauvais se produit ; les propriétés échouent, quelque chose comme ça.

Il s'agit d'un exemple, généralement l'exemple de vérification. Autre exemple : la synthèse. Vous écrivez votre code VHDL, vous appuyez sur le bouton, puis le code VHDL est synthétisé. Ou compilé lorsque nous parlons d'un système logiciel pour une architecture particulière, pour une technologie particulière, etc. Et tous ces outils, dans lesquels vous lancez simplement votre conception et qui génèrent automatiquement une liste de réseaux ou une condition de preuve ; ce sont les outils que nous développons ; c'est fondamentalement ce que nous faisons.

Yuval: Le processus d'élaboration des listes nettes de conception électronique, de synthèse et de vérification existe depuis de nombreuses années. En quoi le quantique est-il similaire et différent de ces méthodes traditionnelles ?

Robert: Il y a beaucoup de similitudes. En effet, lorsque nous regardons l'histoire, ces outils que vous venez de mentionner ne sont pas seulement disponibles depuis quelques années, mais nous, en tant que communauté, les développons depuis des décennies. Et il est intéressant de voir le développement parallèle de l'informatique classique et de l'informatique quantique, parce qu'à l'origine, dans l'informatique classique, les ingénieurs électriciens ont construit les premiers ordinateurs, et puis au fil du temps, ils ont évolué de sorte qu'ils ont soudainement, comme je l'ai dit, reconnu, "D'accord, nous avons besoin d'automatisation".

En effet, ils ont fondé un domaine entier, l'informatique, autour de cette idée. Ainsi, à un moment donné, les ordinateurs ont été développés par des ingénieurs électriciens, puis, à un moment donné, la communauté a reconnu : "D'accord, nous avons besoin d'informaticiens. Nous avons besoin de personnes qui développent des logiciels, qui développent des méthodes automatiques pour cela". Il est très intéressant de constater que l'informatique quantique connaît une évolution similaire. En effet, les premières idées d'informatique quantique sont venues de théoriciens, puis les physiciens ont construit les premiers ordinateurs quantiques.

Aujourd'hui, nous reconnaissons de plus en plus que, de la même manière que nous l'avons vu il y a plusieurs décennies pour l'informatique classique conventionnelle, nous avons également besoin de personnes capables de développer des logiciels pour l'informatique quantique. Qui peuvent réaliser certaines applications pour l'informatique quantique. Ce parallèle est donc très intéressant à observer. D'un autre côté, nous pouvons également voir les défis à relever. Dans le monde de l'informatique classique, nous avons ce que nous appelons une lacune en matière de conception ou de vérification, ce qui signifie que notre capacité à concevoir correctement quelque chose et à exploiter la technologie dont nous disposons est limitée.

Ainsi, dans le monde classique, nous avons jusqu'à aujourd'hui une situation où nous pouvons développer ou réaliser des machines plus puissantes que celles pour lesquelles nous pouvons concevoir des applications et des logiciels utiles. En ce qui concerne l'informatique quantique, ce qui est intéressant, c'est que ces dernières années, lorsque j'ai commencé à travailler sur l'informatique quantique, nous ne disposions pas encore de ces puissants ordinateurs quantiques. Nous avions des systèmes très prototypiques et ils sont encore limités. Mais aujourd'hui, nous assistons à ce développement au cours des dernières années.

J'ai le sentiment que nous nous approchons dans le monde quantique de quelque chose que nous avons vu dans le monde classique : une sorte d'écart de conception qui pourrait très bientôt nous amener à une situation où nous pourrions avoir des ordinateurs quantiques plus puissants que les méthodes et les moyens de les utiliser correctement ou de les exploiter correctement. Et c'est en quelque sorte ce sur quoi nous travaillons, pour éviter cette lacune de conception, ou du moins pour la maintenir aussi faible que possible.

Yuval: Lorsque l'on conçoit des langages d'abstraction, qu'il s'agisse de langages de description du matériel ou du parallèle dans le quantique, les critiques viennent parfois dire : "Eh bien, lorsque vous concevez une couche d'abstraction, vous perdez quelque chose. Vous perdez la possibilité de tirer parti des propriétés uniques de la machine." Et aujourd'hui, dans le domaine quantique, les différents fabricants ont des propriétés différentes, des architectures différentes. Est-il donc trop tôt ou trop tard pour concevoir une couche d'abstraction pour le quantique ? 

Robert: Très bonne question. Et j'ai en quelque sorte deux réponses différentes : D'une part, nous sommes actuellement dans une situation où nous devons avoir une interaction étroite avec les physiciens qui construisent les ordinateurs quantiques. Je me considère comme un informaticien et, à cet égard, j'aime les abstractions. Car même si je comprends à peu près comment fonctionne la physique de l'informatique quantique, je ne suis certainement pas un expert en physique quantique. Et à cet égard, je m'appuie sur les abstractions parce que c'est la seule façon d'exploiter mon expérience en informatique pour aborder la complexité. Et pour l'instant, vous avez tout à fait raison de dire que, malgré tout, nous devons être proches du physicien pour comprendre les problèmes. En effet, les machines d'aujourd'hui sont encore limitées et nous devons vraiment essayer de respecter et de satisfaire les contraintes physiques le mieux possible.

Cependant, à long terme, si la communauté des physiciens rend les ordinateurs quantiques de plus en plus performants, plus évolutifs, plus fiables, moins sujets aux erreurs et ainsi de suite, je suis presque sûr que nous avons besoin de plus d'abstractions. Encore une fois, l'exemple le plus intéressant est celui du développement : nous avons une croissance exponentielle de la puissance de calcul classique. Et en ce moment, si vous regardez les feuilles de route d'IBM, d'Honeywell et ainsi de suite, vous voyez une évolution très similaire. Tôt ou tard, je suppose que nous atteindrons une situation où la complexité augmentera rapidement. L'un des principaux moyens de faire face à cette complexité est l'abstraction.

De la même manière, aujourd'hui, nous ne construisons plus, nous ne travaillons plus avec des transistors pour réaliser une application. Dans l'informatique quantique, nous aurons également une situation où nous utiliserons des langages de haut niveau, des outils automatiques et des compilateurs, qui pourraient ne plus être spécifiques à la machine à certains niveaux d'abstraction.

Je pense qu'il est tout à fait normal et utile de faire des recherches sur ces abstractions dès à présent, afin de nous préparer à une situation dans laquelle la complexité augmentera de manière significative. Dans une telle situation, nous pourrions être en mesure de gérer les exigences physiques à ces niveaux inférieurs et nous pourrions les abstraire au niveau supérieur. Je pense donc que les deux sont nécessaires. Nous devons faire face à ces détails physiques aujourd'hui, mais nous devons également nous préparer à pouvoir en faire abstraction à l'avenir.

Yuval: Sur les ordinateurs classiques, toutes ces couches d'abstraction existent déjà, n'est-ce pas ? Si je conçois une page web, je n'ai pas besoin de savoir comment fonctionnent les transistors CMOS. Et il y a de très nombreuses couches logicielles entre la page web et ce qui s'exécute réellement sur le matériel. C'est donc une bonne chose. Supposons qu'il en soit de même pour les ordinateurs quantiques, que vous disposiez d'une abstraction.

Mais aujourd'hui, en raison de problèmes de cohérence et d'erreurs, de nombreux algorithmes sont écrits de manière hybride classique-quantique. Existe-t-il un cas particulier de cette abstraction une fois que l'on entre dans les algorithmes hybrides ou s'agit-il simplement de deux camps distincts avec un peu d'interface entre eux ?

Robert: Pour être honnête, je ne sais pas vraiment. Je ne suis pas sûr de savoir où tout ce développement nous mènera à terme. Pour l'instant, ma compréhension, mon sentiment est le suivant : si vous voulez réaliser une application pour l'informatique quantique, vous devez comprendre l'informatique quantique. La manière dont nous programmons un ordinateur quantique, la manière dont nous allons l'utiliser, à l'heure actuelle, exige toujours que le concepteur correspondant comprenne comment l'informatique quantique fonctionne en principe. Pas physiquement, mais au moins méthodologiquement. Il faut comprendre la superposition, l'enchevêtrement, ce genre de choses.

Nous pourrons peut-être nous en affranchir à l'avenir, mais pour l'instant, je ne vois pas comment cela pourrait fonctionner aujourd'hui. Et je pense que c'est aussi l'un des grands défis à relever lorsque nous parlons, au sein de la communauté, de ce qu'il nous faut accomplir pour mettre en place l'informatique quantique.

Bien sûr, nous avons besoin de physiciens qui construisent les ordinateurs. Nous avons besoin des logiciels, etc. Mais nous avons aussi ce grand débat, que vous connaissez bien, sur la main-d'œuvre quantique, n'est-ce pas ? Nous avons donc besoin de personnes formées pour cette communauté particulière. Et aujourd'hui, mon sentiment profond est que nous avons toujours besoin de ces experts hautement qualifiés. Nous devons former les gens. Ils doivent avoir une formation en informatique quantique à un certain niveau d'abstraction. Peut-être qu'à l'avenir, nous atteindrons un point où nous pourrons faire abstraction de cela, mais je vois cela plutôt dans un avenir à moyen ou long terme.

À l'heure actuelle, je ne vois personne capable de mettre en œuvre ou de réaliser quelque chose, une application d'un ordinateur quantique, en s'appuyant uniquement sur des HDL classiques conventionnels, par exemple. Vous avez toujours besoin d'une sorte de moyen de description quantique et d'une compréhension de celui-ci.

Yuval: Vous êtes professeur dans une université autrichienne, et je vois qu'aux États-Unis, certaines universités commencent à proposer des masters en science de l'information quantique ou un programme de doctorat. Pourriez-vous me dire quelle est la situation en Europe en ce qui concerne la formation de la main-d'œuvre dans le domaine quantique ?

Robert: Cela devient un problème. Donc, les gens commencent à en parler dans leurs conférences et ce genre de choses. J'ai dit que je travaillais dans l'informatique quantique depuis 10, 15 ans maintenant. Et en particulier dans les programmes de Master, j'ai déjà eu des conférences, que j'ai appelées technologies émergentes, où j'ai couvert des sujets comme l'informatique quantique. Et ce parce que j'ai toujours pensé que la jeune génération qui poursuit ses études en master ou en licence, voire en doctorat, sera très certainement exposée à l'informatique quantique parce qu'elle a toute la vie devant elle.

Je n'arrêtais pas de dire à mes étudiants : "Je suis professeur. J'ai été titularisé." Je pourrais probablement dire : "Eh bien, je ne m'en soucie plus parce que j'en ai plus ou moins fini avec ma carrière. Je le fais simplement parce que cela me passionne toujours. Mais vous, mes étudiants, vous avez encore de nombreuses décennies devant vous en tant qu'informaticiens. Vous devriez être au courant de ce qui se passe". Et je ne fais cela que pour 10 ou 15 ans.

Aujourd'hui, des programmes sont également mis en place dans les universités. Je sais que dans notre université, nous mettons l'accent sur ce sujet. Littéralement, tous les pays européens, et probablement tous les pays du monde, ont identifié l'informatique quantique comme étant en train de devenir une réalité. Jusqu'à quel point va-t-elle s'imposer ? Personne ne le sait vraiment ! Mais nous savons qu'il faut éduquer les gens à ce sujet. Je ne dis pas que nous changeons complètement nos programmes d'études de nos jours, nous continuons donc à enseigner à nos étudiants ces langages de programmation classiques conventionnels. Ce qui, bien sûr, est logique, car nous ne parlons pas de l'informatique quantique qui va remplacer l'informatique classique. Nous allons simplement disposer d'une plus grande variété de paradigmes informatiques à utiliser et l'informatique quantique est l'un d'entre eux. Et nous enseignons à nos étudiants comment y faire face.

Du moins, c'est ce que nous commençons à faire. Dans mon cours, j'aborde donc des sujets tels que : "D'accord, comment utiliser certains outils, comme Qiskit, Cirq, etc. Et je réalise ces applications et ces exemples de jouets qu'ils ont. Mais je dois aussi admettre que nous ne réalisons pas encore d'applications complètes. Mais je suis presque sûr que dans les années à venir, mes propres cours changeront également dans le sens où nous n'aurons plus seulement des exemples de jouets avec lesquels jouer, mais des exemples pratiques et pertinents du monde réel, que nos étudiants devront mettre en œuvre sur un système quantique. Il s'agit donc d'un changement certain. Et dans les universités, c'est une chose qui se fait de nos jours, sans aucun doute.

Yuval: Et pour rester dans l'angle européen, lorsque vous regardez les grandes entreprises industrielles en Europe, s'appuient-elles sur les universités pour fournir la main-d'œuvre dont elles ont besoin pour les projets d'exploration de l'informatique quantique ? Ou font-elles autre chose aujourd'hui ?

Robert: Bonne question. Je dirais un peu les deux. En ce moment, vous pouvez vraiment parler à nos entreprises partenaires et quand je regarde ce qui se passe en Europe en particulier, je vois beaucoup d'entreprises qui disent d'une manière ou d'une autre : " D'accord, j'ai entendu parler de ce truc d'informatique quantique. Pouvez-vous me dire de quoi il s'agit ?" Il s'agit donc d'entreprises qui ne veulent pas encore se salir les mains, mais qui se disent : "D'accord, je devrais probablement être informé. Est-ce que j'ai raté quelque chose ?" Nous avons donc des entreprises de ce type, et c'est très bien. Je ne dis pas que tout le monde devrait sauter dans le train de l'informatique quantique dès maintenant.

Mais lorsque j'ai commencé, il y a 10 ou 15 ans, à faire de l'informatique quantique, j'étais le fou qui proposait cette technologie d'avenir si lointaine. Je suis donc déjà heureux de constater que nous avons reçu des réactions, en particulier de la part d'entreprises, qui nous disent : "Il semble que ce soit une réalité. Pouvez-vous m'enseigner ? Pouvez-vous me donner des cours particuliers ? Est-ce qu'il me manque quelque chose ?" C'est une façon de faire. Et puis il y a d'autres entreprises qui disent : "D'accord, nous voulons être impliqués dès maintenant".

Vous avez donc posé la question de savoir si ce sont les universités ou le monde académique qui sont à l'origine de ce phénomène ou si c'est l'industrie qui en est le moteur. Je dirais que, selon moi, les entreprises commencent également à utiliser de l'argent pour financer, par exemple, des universités ou des projets de recherche, ou pour financer leurs propres laboratoires de recherche au sein de leurs entreprises.

J'ai donc l'impression que le financement gouvernemental et industriel de l'informatique quantique a considérablement augmenté. Je suppose qu'il s'agit d'un effort pour se préparer au moment où l'informatique quantique s'établira et pour être prêt pour cela. Je ne dirais donc pas qu'il n'y a que le monde universitaire. Je vois aussi beaucoup d'entreprises qui investissent dans les universités pour développer ce domaine. Mais franchement, en Europe, je n'ai pas connaissance d'histoires à succès du type "Ok, nous avons une entreprise européenne qui gagne beaucoup d'argent avec l'informatique quantique". Mais ils investissent et je suis presque sûr qu'ils investissent parce qu'ils s'attendent, peut-être dans quelques années, à une sorte de retour sur investissement.

Je dirais donc que le gouvernement et l'industrie investissent de manière significative dans la technologie et tentent de faire de l'Europe un acteur important au niveau mondial dans ce domaine.

Yuval: Alors que nous approchons de la fin de notre conversation, supposons que je vous donne une baguette magique et que vous puissiez désormais contrôler le plan de travail des grandes entreprises de logiciels et de matériel, ainsi que des petites. Sur quoi voulez-vous qu'elles travaillent au cours des deux ou trois prochaines années ?

Robert: C'est une bonne question parce que, littéralement, je ne suis pas sûr de devoir le dire publiquement, mais j'ai un peu l'impression que ce que la société, la communauté, l'industrie, les gouvernements font actuellement, est, pour être honnête, parfaitement en ligne avec ce que je pourrais souhaiter. En effet, il y a 10 ou 15 ans, j'ai commencé à travailler sur l'informatique quantique et j'étais ce fou qui travaillait sur cette technologie d'avenir. Je me suis amusé et j'ai vraiment apprécié que le monde universitaire permette de travailler sur ces technologies émergentes.

Et à ce moment-là, j'aimerais vraiment avoir cette baguette magique pour convaincre les gens que ce que je fais a vraiment une pertinence, une pertinence pratique. Aujourd'hui, je ne pense pas avoir besoin de cette baguette magique parce que tout le monde autour de moi, chaque fois que je parle à l'industrie, aux gouvernements ou aux agences de financement, j'ai l'impression que je n'ai plus besoin de convaincre personne.

Et maintenant, soudainement, des sujets sur lesquels j'ai travaillé au cours des 10, 15 dernières années, deviennent soudainement pertinents. Si vous le permettez, je réserverai donc cette baguette pour les jours à venir, lorsque j'en aurai vraiment besoin. Pour l'instant, je suis simplement heureux que toute cette communauté se développe dans une direction qui me convient parfaitement. Bien sûr, nous devons veiller à ne pas aller trop loin. Et il y a encore beaucoup de défis à relever. Et je veux dire que les gens qui parlent d'une fenêtre quantique ont des attentes trop élevées.

Mais pour l'instant, je suis très heureux de l'évolution de la communauté et de ce qui se passe. Et c'est vraiment amusant de voir ce qui se passe. Comme je l'ai dit, je ne suis pas sûr de devoir le dire publiquement, mais pour l'instant, je dirais que je suis très content du développement tel qu'il est jusqu'à présent. Alors, peut-être qu'il faut continuer comme ça.

Yuval: Je suis reconnaissant aux fous comme vous de travailler sur ce sujet depuis 10 ou 15 ans, pour que nous en soyons là aujourd'hui, dans ce qui est vraiment, à mon avis, le début d'une révolution extraordinaire. Robert, ce fut un plaisir de vous parler aujourd'hui. Où peut-on vous contacter pour en savoir plus sur votre travail ?

Robert : Le plus simple est sans doute de chercher mon nom sur Google. Vous trouverez très probablement ma page web. C'est www.rwille.de. Vous pouvez aussi me suivre sur Twitter, mon nom est @rbrtwll. J'attends avec impatience les commentaires de tous ceux qui s'intéressent à ce genre de sujets.

Yuval: C'est parfait. Merci beaucoup de m'avoir rejoint aujourd'hui.

Robert: Merci beaucoup de m'avoir reçu. C'était très amusant.