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Le concours de codage Classiq en chiffres

3
Juillet
,
2022

Comment cela a commencé

Lorsque nous avons lancé le concours de codage Classiq, nous ne savions pas à quoi nous attendre. Nous avions plusieurs objectifs en tête :

  • Sensibiliser au fait que la compacité et l'efficacité sont à la fois importantes et possibles.
  • Encourager l'innovation aux quatre coins du monde.
  • Encourager les jeunes adultes à se lancer dans le domaine de l'informatique quantique.

Comme le dit notre PDG :

"La création d'algorithmes quantiques efficaces relève à la fois de l'ingénierie et de l'art. Le concours de codage Classiq est un appel à la communauté mondiale des logiciels quantiques pour qu'elle mette en valeur ses talents et démontre comment l'informatique quantique peut amener l'homme vers de nouveaux sommets. Des circuits efficaces améliorent la capacité de tout ordinateur quantique à résoudre des problèmes importants.

Nous avons essayé d'atteindre ces objectifs en spécifiant quatre problèmes quantiques(préparation d'état, exponentiation hamiltonienne, satisfaction de contraintes et portes de Toffoli multi-contrôlées) et en offrant divers prix en espèces pour des solutions efficaces, des contributions originales ainsi que des participants de 18 ans et moins.

Ce qui s'est passé

Les résultats ont dépassé nos attentes :

  • 297 participants de 51 pays se sont inscrits. La carte ci-dessous montre les inscriptions par pays.

Les principaux pays étaient : Inde (71 enregistrements), États-Unis (65), Israël (23), Allemagne (12), Canada (10), France (10), Royaume-Uni (9), Espagne (8), Japon (8) et Pologne (6 enregistrements).

  • Environ 10 % des inscriptions (27 au total) concernaient des groupes de personnes qui s'étaient regroupés pour résoudre les problèmes ensemble.
  • 5% des inscriptions (14) concernaient la catégorie "18 ans et moins".
  • 45 % des personnes inscrites ont déclaré avoir moins d'un an d'expérience en informatique quantique, 32 % ont déclaré avoir 1 à 2 ans d'expérience, 12 % ont déclaré avoir 2 à 3 ans d'expérience et 11 % ont déclaré avoir plus de 3 ans d'expérience.
  • Les inscriptions provenaient à la fois du monde universitaire et de l'industrie. Du côté universitaire, nous avons reçu toute la gamme des postes : des étudiants de premier cycle aux professeurs titulaires. Du côté commercial, nous avons reçu des candidatures de personnes travaillant chez IBM, Amazon, McKinsey, Infosys, Microsoft, Intel et bien d'autres.

Juger les solutions

Nous avons reçu un total de 146 solutions de la part de 82 participants uniques. Le plus grand nombre de solutions a été reçu pour le problème de Toffoli multicontrôlé (57 solutions), suivi par le problème de satisfaction des contraintes (44), la préparation de l'état financier (23) et l'exponentiation de l'hamiltonien en chimie (22).

Notre objectif dans le processus d'évaluation était de déterminer les gagnants. Bien que cela puisse paraître évident, il est important de noter que nous avons considéré ce concours comme une compétition, et non comme un examen, et que notre objectif n'était donc pas de noter chaque solution, mais simplement de trouver les meilleures. Nous avons donc procédé de la manière suivante :

  • Nous avons trié les solutions en fonction de la mesure indiquée par les participants (nombre de portes CX ou profondeur totale). La solution la plus basse était la meilleure.
  • Nous avons vérifié le nombre de portes et la profondeur totale. Si la plupart des demandes ont indiqué ces chiffres avec précision, certaines ont fait état d'une profondeur ou d'un nombre de portes un peu plus élevé ou un peu plus bas que le chiffre réel.
  • Nous avons testé les solutions en commençant par le chiffre le plus bas. Pour chaque problème, nous avons utilisé une méthodologie de test différente. Par exemple, pour le problème de Toffoli à contrôles multiples, nous avons utilisé un outil d'équivalence de circuit qui nous a permis de comparer la solution à une implémentation standard provenant d'une bibliothèque publique. Pour la satisfaction des contraintes, nous avons exécuté le circuit de Grover pour déterminer les résultats, etc. Pour la fonction de préparation de l'état log-normal, nous avons fourni un exemple de code pour tester la précision, etc.
  • Pour les circuits qui ont passé la vérification, nous avons approfondi la solution. Par exemple, nous voulions vérifier que les solutions de Grover n'étaient pas codées en dur et que le circuit implémentait réellement un oracle.
  • De nombreuses solutions de préparation d'état correctes avaient la même profondeur de circuit, nous avons donc donné la préférence à celles qui avaient été soumises plus tôt dans le concours.

La détermination des gagnants dans les catégories "solution innovante" et "moins de 18 ans" a été plus subjective, et nous avons mis l'accent sur l'effort, la qualité de l'explication, etc. Certaines explications (voir les gagnants de la catégorie "satisfaction des contraintes") étaient détaillées et formatées comme pour une publication académique.

Vous pouvez consulter la liste complète des lauréats ici.

Financier : préparation de l'état log-normal

Le problème a été défini comme suit :

De nombreux algorithmes quantiques reposent sur l'initialisation des qubits dans un état spécifique. L'accélération promise de l'algorithme dépend de la capacité à préparer efficacement l'état quantique. Le défi que représente la préparation d'un état quantique est un exemple d'un cas d'utilisation plus large de compilation d'isométries dans un circuit quantique spécifique et il est connu qu'en général, un nombre exponentiel de portes est nécessaire. L'une des distributions les plus répandues est la distribution log-normale, utilisée à de nombreuses reprises, notamment dans la formule d'évaluation des options du modèle de Black-Scholes.

L'objectif était de minimiser la profondeur du circuit et les solutions gagnantes avaient en fait une profondeur de circuit de un. Nous publierons un billet avec des explications plus détaillées, mais en gros, le problème avait deux degrés de liberté : les portes quantiques spécifiques qui peuvent être utilisées pour approximer la distribution, et la discrétisation (par exemple, ce à quoi correspond chaque case quantique). En modifiant la discrétisation, il a été possible d'obtenir une profondeur de circuit quantique de un. Voici les profondeurs de circuit soumises par les différentes solutions valides, classées de la meilleure (nombre le plus faible) à la plus élevée :

Une description des solutions gagnantes est disponible ici.

Chimie : Exponentiation hamiltonienne

La définition du problème était la suivante :

Le problème de la simulation hamiltonienne décrit l'évolution des systèmes quantiques, tels que les molécules et les systèmes solides, en résolvant l'équation de Schrodinger. Les ordinateurs quantiques permettent la simulation de manière évolutive. L'algorithme le plus remarquable est la formule du produit basée sur la trotterisation. Pour ce problème, il faut générer un circuit n'utilisant pas plus de 10 qubits, qui se rapproche de l'unité e-iHe-iHHH est le hamiltonien des qubits d'une molécule LiH (hydrure de lithium). Le hamiltonien LiH est composé de 276 chaînes de Pauli. L'erreur d'approximation est définie dans la section suivante et doit être inférieure à 0,1. Le circuit doit être composé uniquement de la porte CX et de la porte à qubit unique.

Voici les profondeurs de circuit soumises par les différentes solutions valides, classées de la meilleure (nombre le plus faible) à la plus élevée :

Une description des solutions gagnantes est disponible ici.

Optimisation : satisfaction des contraintes

Le problème consistait à résoudre une énigme de Kakuro :

Kakuro est un casse-tête logique, souvent considéré comme une translittération mathématique des mots croisés. Le puzzle se joue sur une grille composée de cellules vides et de cellules pleines. Les cellules remplies contiennent la somme requise pour les cellules vides correspondantes. L'objectif du puzzle est de remplir les espaces vides en respectant deux contraintes : 1) Deux cellules sur la même ligne/colonne ne peuvent pas avoir le même nombre. 2) La somme des cellules de chaque ligne/colonne doit être égale à la cellule remplie correspondante. L'objectif est de résoudre ce puzzle Kakuro en utilisant l'algorithme de Grover.

Les solutions gagnantes sont présentées et décrites ici.

Les résultats sont présentés ci-dessous :

Porte de Toffoli à commande multiple

Le problème a été défini comme suit :

De nombreuses opérations quantiques comprennent des portes de Toffoli multicontrôlées (MCX). Parmi les plus notables, on trouve l'opérateur de Grover, l'opérateur logique ET, divers algorithmes de préparation d'état et des comparateurs arithmétiques. Cette tâche se concentre sur l'implémentation de la porte MCX avec un nombre de qubits et une profondeur de circuit limités. Votre objectif est de décomposer une porte MCX avec 14 qubits de contrôle en portes CX à qubit unique et à double qubit. Vous pouvez utiliser jusqu'à cinq qubits auxiliaires propres et devez les libérer (décomputer) à la fin du circuit. Le circuit ne peut donc pas utiliser plus de 20 qubits au total : 14 qubits de contrôle, un qubit cible et jusqu'à cinq qubits auxiliaires.

Les solutions gagnantes sont décrites ici et les soumissions classées sont les suivantes :

La catégorie des 18 ans et moins

L'une de nos agréables surprises a été le nombre et la qualité des contributions des jeunes participants. L'équipe "Carnivorous Cacti", composée de Tarushii Goel, Kareem Jaber et Cyril Sharma, une équipe de trois lycéens fraîchement diplômés de la Thomas Jefferson High School en Virginie, mérite tout particulièrement d'être mentionnée. Cette équipe a remporté le prix de bronze dans le problème de décomposition de Toffoli (en compétition avec l'ensemble de la population), et a également reçu une mention honorable dans le problème d'exponentiation hamiltonienne. Naturellement, nous avons estimé qu'ils méritaient un prix "18 ans et moins".

Comme nous avons annoncé les gagnants lors de la conférence Quantum.Tech à Boston, nous avons demandé aux trois étudiants de nous rejoindre à Boston et de recevoir leur prix en personne. Les voici dans notre stand avec le prix :

Je pense que les participants au salon étaient enthousiastes et optimistes quant à cette nouvelle génération d'ingénieurs en logiciels quantiques, en particulier compte tenu de la pénurie de talents à laquelle le secteur est confronté.

Comment cela a commencé

Lorsque nous avons lancé le concours de codage Classiq, nous ne savions pas à quoi nous attendre. Nous avions plusieurs objectifs en tête :

  • Sensibiliser au fait que la compacité et l'efficacité sont à la fois importantes et possibles.
  • Encourager l'innovation aux quatre coins du monde.
  • Encourager les jeunes adultes à se lancer dans le domaine de l'informatique quantique.

Comme le dit notre PDG :

"La création d'algorithmes quantiques efficaces relève à la fois de l'ingénierie et de l'art. Le concours de codage Classiq est un appel à la communauté mondiale des logiciels quantiques pour qu'elle mette en valeur ses talents et démontre comment l'informatique quantique peut amener l'homme vers de nouveaux sommets. Des circuits efficaces améliorent la capacité de tout ordinateur quantique à résoudre des problèmes importants.

Nous avons essayé d'atteindre ces objectifs en spécifiant quatre problèmes quantiques(préparation d'état, exponentiation hamiltonienne, satisfaction de contraintes et portes de Toffoli multi-contrôlées) et en offrant divers prix en espèces pour des solutions efficaces, des contributions originales ainsi que des participants de 18 ans et moins.

Ce qui s'est passé

Les résultats ont dépassé nos attentes :

  • 297 participants de 51 pays se sont inscrits. La carte ci-dessous montre les inscriptions par pays.

Les principaux pays étaient : Inde (71 enregistrements), États-Unis (65), Israël (23), Allemagne (12), Canada (10), France (10), Royaume-Uni (9), Espagne (8), Japon (8) et Pologne (6 enregistrements).

  • Environ 10 % des inscriptions (27 au total) concernaient des groupes de personnes qui s'étaient regroupés pour résoudre les problèmes ensemble.
  • 5% des inscriptions (14) concernaient la catégorie "18 ans et moins".
  • 45 % des personnes inscrites ont déclaré avoir moins d'un an d'expérience en informatique quantique, 32 % ont déclaré avoir 1 à 2 ans d'expérience, 12 % ont déclaré avoir 2 à 3 ans d'expérience et 11 % ont déclaré avoir plus de 3 ans d'expérience.
  • Les inscriptions provenaient à la fois du monde universitaire et de l'industrie. Du côté universitaire, nous avons reçu toute la gamme des postes : des étudiants de premier cycle aux professeurs titulaires. Du côté commercial, nous avons reçu des candidatures de personnes travaillant chez IBM, Amazon, McKinsey, Infosys, Microsoft, Intel et bien d'autres.

Juger les solutions

Nous avons reçu un total de 146 solutions de la part de 82 participants uniques. Le plus grand nombre de solutions a été reçu pour le problème de Toffoli multicontrôlé (57 solutions), suivi par le problème de satisfaction des contraintes (44), la préparation de l'état financier (23) et l'exponentiation de l'hamiltonien en chimie (22).

Notre objectif dans le processus d'évaluation était de déterminer les gagnants. Bien que cela puisse paraître évident, il est important de noter que nous avons considéré ce concours comme une compétition, et non comme un examen, et que notre objectif n'était donc pas de noter chaque solution, mais simplement de trouver les meilleures. Nous avons donc procédé de la manière suivante :

  • Nous avons trié les solutions en fonction de la mesure indiquée par les participants (nombre de portes CX ou profondeur totale). La solution la plus basse était la meilleure.
  • Nous avons vérifié le nombre de portes et la profondeur totale. Si la plupart des demandes ont indiqué ces chiffres avec précision, certaines ont fait état d'une profondeur ou d'un nombre de portes un peu plus élevé ou un peu plus bas que le chiffre réel.
  • Nous avons testé les solutions en commençant par le chiffre le plus bas. Pour chaque problème, nous avons utilisé une méthodologie de test différente. Par exemple, pour le problème de Toffoli à contrôles multiples, nous avons utilisé un outil d'équivalence de circuit qui nous a permis de comparer la solution à une implémentation standard provenant d'une bibliothèque publique. Pour la satisfaction des contraintes, nous avons exécuté le circuit de Grover pour déterminer les résultats, etc. Pour la fonction de préparation de l'état log-normal, nous avons fourni un exemple de code pour tester la précision, etc.
  • Pour les circuits qui ont passé la vérification, nous avons approfondi la solution. Par exemple, nous voulions vérifier que les solutions de Grover n'étaient pas codées en dur et que le circuit implémentait réellement un oracle.
  • De nombreuses solutions de préparation d'état correctes avaient la même profondeur de circuit, nous avons donc donné la préférence à celles qui avaient été soumises plus tôt dans le concours.

La détermination des gagnants dans les catégories "solution innovante" et "moins de 18 ans" a été plus subjective, et nous avons mis l'accent sur l'effort, la qualité de l'explication, etc. Certaines explications (voir les gagnants de la catégorie "satisfaction des contraintes") étaient détaillées et formatées comme pour une publication académique.

Vous pouvez consulter la liste complète des lauréats ici.

Financier : préparation de l'état log-normal

Le problème a été défini comme suit :

De nombreux algorithmes quantiques reposent sur l'initialisation des qubits dans un état spécifique. L'accélération promise de l'algorithme dépend de la capacité à préparer efficacement l'état quantique. Le défi que représente la préparation d'un état quantique est un exemple d'un cas d'utilisation plus large de compilation d'isométries dans un circuit quantique spécifique et il est connu qu'en général, un nombre exponentiel de portes est nécessaire. L'une des distributions les plus répandues est la distribution log-normale, utilisée à de nombreuses reprises, notamment dans la formule d'évaluation des options du modèle de Black-Scholes.

L'objectif était de minimiser la profondeur du circuit et les solutions gagnantes avaient en fait une profondeur de circuit de un. Nous publierons un billet avec des explications plus détaillées, mais en gros, le problème avait deux degrés de liberté : les portes quantiques spécifiques qui peuvent être utilisées pour approximer la distribution, et la discrétisation (par exemple, ce à quoi correspond chaque case quantique). En modifiant la discrétisation, il a été possible d'obtenir une profondeur de circuit quantique de un. Voici les profondeurs de circuit soumises par les différentes solutions valides, classées de la meilleure (nombre le plus faible) à la plus élevée :

Une description des solutions gagnantes est disponible ici.

Chimie : Exponentiation hamiltonienne

La définition du problème était la suivante :

Le problème de la simulation hamiltonienne décrit l'évolution des systèmes quantiques, tels que les molécules et les systèmes solides, en résolvant l'équation de Schrodinger. Les ordinateurs quantiques permettent la simulation de manière évolutive. L'algorithme le plus remarquable est la formule du produit basée sur la trotterisation. Pour ce problème, il faut générer un circuit n'utilisant pas plus de 10 qubits, qui se rapproche de l'unité e-iHe-iHHH est le hamiltonien des qubits d'une molécule LiH (hydrure de lithium). Le hamiltonien LiH est composé de 276 chaînes de Pauli. L'erreur d'approximation est définie dans la section suivante et doit être inférieure à 0,1. Le circuit doit être composé uniquement de la porte CX et de la porte à qubit unique.

Voici les profondeurs de circuit soumises par les différentes solutions valides, classées de la meilleure (nombre le plus faible) à la plus élevée :

Une description des solutions gagnantes est disponible ici.

Optimisation : satisfaction des contraintes

Le problème consistait à résoudre une énigme de Kakuro :

Kakuro est un casse-tête logique, souvent considéré comme une translittération mathématique des mots croisés. Le puzzle se joue sur une grille composée de cellules vides et de cellules pleines. Les cellules remplies contiennent la somme requise pour les cellules vides correspondantes. L'objectif du puzzle est de remplir les espaces vides en respectant deux contraintes : 1) Deux cellules sur la même ligne/colonne ne peuvent pas avoir le même nombre. 2) La somme des cellules de chaque ligne/colonne doit être égale à la cellule remplie correspondante. L'objectif est de résoudre ce puzzle Kakuro en utilisant l'algorithme de Grover.

Les solutions gagnantes sont présentées et décrites ici.

Les résultats sont présentés ci-dessous :

Porte de Toffoli à commande multiple

Le problème a été défini comme suit :

De nombreuses opérations quantiques comprennent des portes de Toffoli multicontrôlées (MCX). Parmi les plus notables, on trouve l'opérateur de Grover, l'opérateur logique ET, divers algorithmes de préparation d'état et des comparateurs arithmétiques. Cette tâche se concentre sur l'implémentation de la porte MCX avec un nombre de qubits et une profondeur de circuit limités. Votre objectif est de décomposer une porte MCX avec 14 qubits de contrôle en portes CX à qubit unique et à double qubit. Vous pouvez utiliser jusqu'à cinq qubits auxiliaires propres et devez les libérer (décomputer) à la fin du circuit. Le circuit ne peut donc pas utiliser plus de 20 qubits au total : 14 qubits de contrôle, un qubit cible et jusqu'à cinq qubits auxiliaires.

Les solutions gagnantes sont décrites ici et les soumissions classées sont les suivantes :

La catégorie des 18 ans et moins

L'une de nos agréables surprises a été le nombre et la qualité des contributions des jeunes participants. L'équipe "Carnivorous Cacti", composée de Tarushii Goel, Kareem Jaber et Cyril Sharma, une équipe de trois lycéens fraîchement diplômés de la Thomas Jefferson High School en Virginie, mérite tout particulièrement d'être mentionnée. Cette équipe a remporté le prix de bronze dans le problème de décomposition de Toffoli (en compétition avec l'ensemble de la population), et a également reçu une mention honorable dans le problème d'exponentiation hamiltonienne. Naturellement, nous avons estimé qu'ils méritaient un prix "18 ans et moins".

Comme nous avons annoncé les gagnants lors de la conférence Quantum.Tech à Boston, nous avons demandé aux trois étudiants de nous rejoindre à Boston et de recevoir leur prix en personne. Les voici dans notre stand avec le prix :

Je pense que les participants au salon étaient enthousiastes et optimistes quant à cette nouvelle génération d'ingénieurs en logiciels quantiques, en particulier compte tenu de la pénurie de talents à laquelle le secteur est confronté.

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.

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