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Le développement de logiciels quantiques en est encore à ses débuts
Il y a une course en ce moment, et elle met en scène des géants établis ainsi que de nouveaux venus bien financés. Des entreprises telles qu'IBM, Intel, Google, Honeywell, Xanadu, IonQ, Rigetti et Alibaba font la course pour construire des ordinateurs quantiques toujours plus puissants. Elles semblent avoir de bonnes raisons de le faire. L'informatique quantique promet d'avoir un impact considérable sur de nombreux domaines, de la cybersécurité à la finance, de la chaîne d'approvisionnement aux produits pharmaceutiques, de la défense aux prévisions météorologiques.
Les ordinateurs quantiques comprennent des qubits (l'équivalent quantique des bits classiques "0 ou 1") et des portes qui modifient ces qubits. Les entreprises sont en concurrence sur de multiples aspects : le nombre de qubits, le type de portes disponibles, la connectivité entre les qubits, les taux d'erreur, la température de fonctionnement, etc. Le rythme des progrès est assez vertigineux. IBM, par exemple, propose une machine quantique haut de gamme avec 65 qubits et prévoit une version de 433 qubits l'année prochaine et plus de 1 000 qubits en 2023.
Le matériel n'est qu'une partie de l'image
Aussi important que soit le matériel, le logiciel est également essentiel à la révolution quantique.
Dans le monde de l'informatique classique, une unité centrale moderne est presque inutile sans un système d'exploitation et des outils logiciels pour développer des applications, et nous pouvons supposer qu'il en sera de même pour les ordinateurs quantiques. Sans logiciel puissant, l'informatique quantique ne pourra pas tenir ses promesses.
Aujourd'hui, cependant, le développement de logiciels quantiques n'en est qu'à ses balbutiements. Les langages de programmation quantique tels que Q# de Microsoft, Qiskit d'IBM ou Cirq de Google opèrent principalement au niveau des portes ou des blocs de construction. Si un bloc de construction requis n'est pas encore implémenté, l'utilisateur doit spécifier la séquence exacte des interconnexions entre les qubits et les portes quantiques.
Ce processus est similaire à la création d'un circuit numérique en plaçant laborieusement des portes logiques ET, OU et NON. Il fonctionne raisonnablement bien lorsqu'il y a des dizaines de portes logiques, mais il est pratiquement impossible de passer à des milliers ou des millions de portes.
Le doctorat quantique en tant qu'ingénieur logiciel
La complexité de l'écriture de logiciels quantiques a un autre effet secondaire malheureux : il est difficile de trouver des ingénieurs en logiciels quantiques. La programmation quantique étant différente de la programmation classique, les ingénieurs en logiciels quantiques sont une espèce rare. Ils doivent être experts en théorie de l'information quantique et avoir une compréhension pratique de la physique quantique ainsi qu'une maîtrise de l'algèbre linéaire.
Aujourd'hui, ces ingénieurs sont généralement titulaires d'un doctorat délivré par une grande université. Les personnes possédant de telles qualifications sont peu nombreuses et les entreprises éprouvent des difficultés à doter en personnel leurs groupes quantiques nouvellement créés. En outre, les ingénieurs en logiciels quantiques manquent d'expertise dans le domaine de l'évaluation des options, de la biologie moléculaire, de l'optimisation de la chaîne d'approvisionnement ou de tout autre problème que les équipes se sont attelées à résoudre. La nécessité de définir de nouveaux algorithmes au niveau des portes rend très difficile l'intégration d'experts spécifiques à un domaine dans les équipes quantiques.
Une vision d'ensemble
Si vous avez pris une belle photo de vacances et que vous souhaitez rendre les couleurs du coucher de soleil plus spectaculaires, vous n'avez probablement pas envie de le faire pixel par pixel, surtout si votre photo comporte des millions de pixels. Vous préférerez utiliser Photoshop ou un autre logiciel de retouche d'images qui vous permet de spécifier ce que vous voulez faire et de trouver ensuite comment le mettre en œuvre pixel par pixel.
De même, si les membres de votre équipe ont développé un nouvel algorithme quantique, ils ne veulent pas le coder - ou le déboguer et le maintenir - porte par porte. Ils veulent un langage de haut niveau pour traduire les nouveaux concepts en une implémentation au niveau de la porte.
Où avons-nous déjà vu cela ?
Plus tôt, nous avons fait l'analogie entre la programmation quantique et la conception de circuits numériques. L'évolution de la conception des circuits numériques peut servir d'inspiration pour résoudre le problème des logiciels quantiques.
À mesure que les circuits numériques devenaient plus complexes (un processeur Intel 8086 compte environ 20 000 transistors, alors qu'un i7 moderne en compte plus de 4 milliards), des langages de conception tels que le VHDL sont venus à la rescousse. Avec VHDL, Verilog et d'autres langages de description de matériel similaires, les concepteurs écrivent un code lisible par l'homme qui décrit ce qu'ils veulent réaliser, puis des programmes informatiques traduisent cette description de haut niveau en interconnexions de portes détaillées.
Ces langages ont permis de concevoir des circuits vraiment complexes et de les déboguer et de les entretenir efficacement. Les langages de haut niveau favorisent également la réutilisation du code, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de réinventer la roue à chaque fois.
À quoi s'attendre
Je pense que nous commencerons à voir une approche de type VHDL appliquée à l'informatique quantique. Bien que le langage utilisé pour l'informatique quantique puisse être très différent de celui utilisé pour la conception électronique, le concept de cette "conception d'algorithme quantique" est le même : se concentrer sur l'intention et laisser un programme informatique sophistiqué la traduire en qubits et en portes. Comme l'histoire du VHDL est riche en enseignements, je m'attends à ce que l'équivalent quantique se développe beaucoup plus rapidement et avec beaucoup moins d'incertitude.
Trois conseils
Pour se préparer à la révolution quantique et à ces nouvelles plates-formes logicielles, je propose aux entreprises :
- Initier les experts de leur domaine aux concepts de l'informatique quantique, sans nécessairement leur demander d'apprendre la programmation de bas niveau.
- Évitez de vous lancer tête baissée dans les qubits et les portes. Commencez par créer une description de haut niveau, lisible par l'homme, de ce que votre algorithme quantique doit faire.
- Continuer à prospecter le marché pour trouver des plateformes capables de transformer des langages de modélisation de haut niveau en code quantique optimisé de bas niveau.
L'aide est en route
L'informatique quantique sera bloquée si des progrès significatifs ne sont pas réalisés dans le domaine des logiciels. Les logiciels de conception d'algorithmes quantiques permettront non seulement de mettre en œuvre des algorithmes plus sophistiqués sur des machines plus avancées, mais aussi d'élargir le réservoir de main-d'œuvre disponible et de permettre à des experts spécifiques de travailler avec des ingénieurs quantiques de niveau doctoral.
En intégrant le matériel, les logiciels et les personnes, nous pouvons tenir la grande promesse de l'informatique quantique.
Cet article a été publié à l'origine dans Forbes
Il y a une course en ce moment, et elle met en scène des géants établis ainsi que de nouveaux venus bien financés. Des entreprises telles qu'IBM, Intel, Google, Honeywell, Xanadu, IonQ, Rigetti et Alibaba font la course pour construire des ordinateurs quantiques toujours plus puissants. Elles semblent avoir de bonnes raisons de le faire. L'informatique quantique promet d'avoir un impact considérable sur de nombreux domaines, de la cybersécurité à la finance, de la chaîne d'approvisionnement aux produits pharmaceutiques, de la défense aux prévisions météorologiques.
Les ordinateurs quantiques comprennent des qubits (l'équivalent quantique des bits classiques "0 ou 1") et des portes qui modifient ces qubits. Les entreprises sont en concurrence sur de multiples aspects : le nombre de qubits, le type de portes disponibles, la connectivité entre les qubits, les taux d'erreur, la température de fonctionnement, etc. Le rythme des progrès est assez vertigineux. IBM, par exemple, propose une machine quantique haut de gamme avec 65 qubits et prévoit une version de 433 qubits l'année prochaine et plus de 1 000 qubits en 2023.
Le matériel n'est qu'une partie de l'image
Aussi important que soit le matériel, le logiciel est également essentiel à la révolution quantique.
Dans le monde de l'informatique classique, une unité centrale moderne est presque inutile sans un système d'exploitation et des outils logiciels pour développer des applications, et nous pouvons supposer qu'il en sera de même pour les ordinateurs quantiques. Sans logiciel puissant, l'informatique quantique ne pourra pas tenir ses promesses.
Aujourd'hui, cependant, le développement de logiciels quantiques n'en est qu'à ses balbutiements. Les langages de programmation quantique tels que Q# de Microsoft, Qiskit d'IBM ou Cirq de Google opèrent principalement au niveau des portes ou des blocs de construction. Si un bloc de construction requis n'est pas encore implémenté, l'utilisateur doit spécifier la séquence exacte des interconnexions entre les qubits et les portes quantiques.
Ce processus est similaire à la création d'un circuit numérique en plaçant laborieusement des portes logiques ET, OU et NON. Il fonctionne raisonnablement bien lorsqu'il y a des dizaines de portes logiques, mais il est pratiquement impossible de passer à des milliers ou des millions de portes.
Le doctorat quantique en tant qu'ingénieur logiciel
La complexité de l'écriture de logiciels quantiques a un autre effet secondaire malheureux : il est difficile de trouver des ingénieurs en logiciels quantiques. La programmation quantique étant différente de la programmation classique, les ingénieurs en logiciels quantiques sont une espèce rare. Ils doivent être experts en théorie de l'information quantique et avoir une compréhension pratique de la physique quantique ainsi qu'une maîtrise de l'algèbre linéaire.
Aujourd'hui, ces ingénieurs sont généralement titulaires d'un doctorat délivré par une grande université. Les personnes possédant de telles qualifications sont peu nombreuses et les entreprises éprouvent des difficultés à doter en personnel leurs groupes quantiques nouvellement créés. En outre, les ingénieurs en logiciels quantiques manquent d'expertise dans le domaine de l'évaluation des options, de la biologie moléculaire, de l'optimisation de la chaîne d'approvisionnement ou de tout autre problème que les équipes se sont attelées à résoudre. La nécessité de définir de nouveaux algorithmes au niveau des portes rend très difficile l'intégration d'experts spécifiques à un domaine dans les équipes quantiques.
Une vision d'ensemble
Si vous avez pris une belle photo de vacances et que vous souhaitez rendre les couleurs du coucher de soleil plus spectaculaires, vous n'avez probablement pas envie de le faire pixel par pixel, surtout si votre photo comporte des millions de pixels. Vous préférerez utiliser Photoshop ou un autre logiciel de retouche d'images qui vous permet de spécifier ce que vous voulez faire et de trouver ensuite comment le mettre en œuvre pixel par pixel.
De même, si les membres de votre équipe ont développé un nouvel algorithme quantique, ils ne veulent pas le coder - ou le déboguer et le maintenir - porte par porte. Ils veulent un langage de haut niveau pour traduire les nouveaux concepts en une implémentation au niveau de la porte.
Où avons-nous déjà vu cela ?
Plus tôt, nous avons fait l'analogie entre la programmation quantique et la conception de circuits numériques. L'évolution de la conception des circuits numériques peut servir d'inspiration pour résoudre le problème des logiciels quantiques.
À mesure que les circuits numériques devenaient plus complexes (un processeur Intel 8086 compte environ 20 000 transistors, alors qu'un i7 moderne en compte plus de 4 milliards), des langages de conception tels que le VHDL sont venus à la rescousse. Avec VHDL, Verilog et d'autres langages de description de matériel similaires, les concepteurs écrivent un code lisible par l'homme qui décrit ce qu'ils veulent réaliser, puis des programmes informatiques traduisent cette description de haut niveau en interconnexions de portes détaillées.
Ces langages ont permis de concevoir des circuits vraiment complexes et de les déboguer et de les entretenir efficacement. Les langages de haut niveau favorisent également la réutilisation du code, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de réinventer la roue à chaque fois.
À quoi s'attendre
Je pense que nous commencerons à voir une approche de type VHDL appliquée à l'informatique quantique. Bien que le langage utilisé pour l'informatique quantique puisse être très différent de celui utilisé pour la conception électronique, le concept de cette "conception d'algorithme quantique" est le même : se concentrer sur l'intention et laisser un programme informatique sophistiqué la traduire en qubits et en portes. Comme l'histoire du VHDL est riche en enseignements, je m'attends à ce que l'équivalent quantique se développe beaucoup plus rapidement et avec beaucoup moins d'incertitude.
Trois conseils
Pour se préparer à la révolution quantique et à ces nouvelles plates-formes logicielles, je propose aux entreprises :
- Initier les experts de leur domaine aux concepts de l'informatique quantique, sans nécessairement leur demander d'apprendre la programmation de bas niveau.
- Évitez de vous lancer tête baissée dans les qubits et les portes. Commencez par créer une description de haut niveau, lisible par l'homme, de ce que votre algorithme quantique doit faire.
- Continuer à prospecter le marché pour trouver des plateformes capables de transformer des langages de modélisation de haut niveau en code quantique optimisé de bas niveau.
L'aide est en route
L'informatique quantique sera bloquée si des progrès significatifs ne sont pas réalisés dans le domaine des logiciels. Les logiciels de conception d'algorithmes quantiques permettront non seulement de mettre en œuvre des algorithmes plus sophistiqués sur des machines plus avancées, mais aussi d'élargir le réservoir de main-d'œuvre disponible et de permettre à des experts spécifiques de travailler avec des ingénieurs quantiques de niveau doctoral.
En intégrant le matériel, les logiciels et les personnes, nous pouvons tenir la grande promesse de l'informatique quantique.
Cet article a été publié à l'origine dans Forbes
A propos de "The Qubit Guy's Podcast" (Le podcast du gars de Qubit)
Animé par The Qubit Guy (Yuval Boger, notre directeur marketing), le podcast accueille des leaders d'opinion de l'informatique quantique pour discuter de questions commerciales et techniques qui ont un impact sur l'écosystème de l'informatique quantique. Nos invités fournissent des informations intéressantes sur les logiciels et algorithmes d'ordinateurs quantiques, le matériel informatique quantique, les applications clés de l'informatique quantique, les études de marché de l'industrie quantique et bien plus encore.
Si vous souhaitez proposer un invité pour le podcast, veuillez nous contacter.
