La clé de l'informatique quantique complète

Les cartes de connectivité de Classiq comblent le fossé entre les logiciels et le matériel pour faire progresser les technologies quantiques

L'informatique quantique vise à révolutionner les industries et à résoudre des problèmes considérés comme insolubles par les ordinateurs classiques, notamment en aidant à créer des matériaux plus résistants à la chaleur et à la déformation pour améliorer les matériaux, les batteries et les technologies de l'énergie. Cependant, la construction d'ordinateurs quantiques à grande échelle pose de nombreux défis, qu'il s'agisse de créer des architectures de bits quantiques (qubits) évolutives ou d'augmenter la durée de stockage des informations quantiques.

Les processeurs d'informatique quantique ont déjà atteint le nombre de qubits où la simulation classique des systèmes quantiques n'est plus possible. Nous sommes à l'ère des dispositifs quantiques intermédiaires bruyants (NISQ). Ces dispositifs ont jusqu'à quelques milliers de qubits imparfaits, ce qui limite le nombre de portes que nous pouvons exécuter séquentiellement dans un processeur quantique.

L'optimisation des performances des logiciels pour un matériel imparfait est donc essentielle pour les performances des systèmes quantiques. Certains algorithmes sont plus efficaces sur certaines architectures matérielles quantiques et bénéficient massivement d'un placement minutieux des portes sur des qubits spécifiques. Cette optimisation pourrait être la clé de l'avantage quantique. Le même algorithme, non optimisé, pourrait ne rien donner du tout. Mais cela nécessite une prise de conscience du matériel.

La co-conception, une stratégie qui consiste à concevoir simultanément du matériel et des logiciels, accélérera l'évolution de la technologie quantique. Cette stratégie vise à surmonter les limites auxquelles les développeurs peuvent être confrontés de manière isolée et à combler ce fossé, en facilitant une intégration transparente qui permet aux logiciels et au matériel d'être développés ensemble (en superposition ? ha ! ha !) afin d'apporter un avantage quantique dans le monde réel.

Gridlocks dans l'avantage quantique

L'un des principaux obstacles au développement du potentiel de l'informatique quantique est le manque de communication entre le logiciel et le matériel, ou vice versa. Tous ceux qui participent au développement de l'informatique quantique, qu'il s'agisse de matériel ou de logiciel, doivent penser à l'ensemble de la chaîne.

En ce qui concerne le développement de matériel quantique, la construction d'une puce nécessite un effort manuel pour adapter des architectures matérielles spécifiques à des algorithmes quantiques pratiques afin d'obtenir les meilleures performances possibles sur les dispositifs NISQ. Malheureusement, cela prend beaucoup de temps et nécessite des compétences en microfabrication, en génie électrique, en physique et en génie logiciel. En outre, des compromis sont faits pour la généralisation, ce qui permet d'exécuter plus de classes d'algorithmes sur n'importe quelle puce tout en confiant le travail d'optimisation aux développeurs de logiciels.

Du côté des logiciels, le développement d'algorithmes isolés est excellent pour la théorie et pour élargir l'éventail des problèmes que les ordinateurs quantiques pourront éventuellement résoudre, mais sans la connaissance du matériel, il n'y a pas d'avantage. Par conséquent, le développement est bloqué parce que l'approche descendante de la conception conduit à essayer de faire entrer une cheville carrée dans différents trous ronds. Certains s'adaptent bien, mais les progrès de la technologie quantique peuvent être beaucoup plus efficaces.

Conception quantique descendante

L'approche descendante traditionnelle des chercheurs en informatique quantique commence par une conception de haut niveau. Cette conception est généralement un algorithme quantique décrit dans un langage abstrait de haut niveau comme Python. Ces instructions peuvent ensuite être converties en circuits quantiques, ou portes, placés sur chaque qubit. L'approche algorithmique avancée de Classiq peut réduire considérablement le temps et la complexité du développement des circuits quantiques. En quelques minutes, vous pouvez disposer de milliers de lignes de code à modifier pour votre problème de chimie quantique, ce qui vous permet rapidement d'écrire de nouvelles expériences au lieu de passer votre temps à réécrire à la main les mêmes circuits pour IBM, Quantinuum et IonQ.

Mais vous réalisez alors que vous ne pouvez pas simplement appliquer le même code aux différents systèmes quantiques. Les portes de base pour les backends matériels sont différentes. Les connectivités vont de tout-à-tout à linéaire. Les temps d'exécution des portes varient.

Parfois, vous constatez même que le Qubit 5 est mort sur la puce. Dommage que Qubit 5 soit très utilisé dans votre code. Vous soupirez, vous préparez une autre tasse de café et vous vous installez pour un long week-end de remaniement du code.

C'est là que les compilateurs et les transposeurs peuvent vous sauver la mise.

Compilation et transpilation sur du matériel quantique réel

Le circuit généré n'est pas le circuit qui est réellement appliqué au matériel quantique. C'est ici que la sensibilisation au matériel doit commencer. Cet algorithme quantique de haut niveau, agnostique par rapport au matériel, doit être synthétisé (compilé) et traduit (transpilé) en instructions compatibles avec le matériel quantique spécifique. Ce processus convertit les circuits écrits en portes de base correctes et les optimise pour le matériel réellement utilisé.

L'efficacité de ces circuits quantiques dépend de compromis complexes. Pour optimiser les algorithmes quantiques, il faut prendre des décisions en fonction des ressources et des contraintes disponibles. Par exemple, les différentes implémentations possibles d'une porte de Toffoli multicontrôlée (MCX), qui est utilisée dans l'opérateur de Grover, l'ET logique et la préparation d'état, dépendent de facteurs tels que le nombre de qubits, les qubits auxiliaires, la carte de connectivité et la profondeur du circuit.
Bien que nous puissions augmenter la précision de la préparation d'état en permettant des circuits plus longs avec plus de qubits, en réalité, nous pouvons avoir besoin d'opter pour des circuits plus courts ou moins de qubits avec une précision réduite. Dans le modèle de synthèse Option Pricing sur la plateforme Classiq, nous pouvons choisir une largeur maximale de circuit (le nombre de qubits utilisés), une profondeur maximale de circuit (le nombre de portes dans une rangée autorisé), ou même le nombre total de portes. Ou bien, nous pouvons simplement choisir d'optimiser pour la largeur ou la profondeur minimale et laisser le logiciel de Classiq gérer les compromis grâce à ses capacités de synthèse et de compilation automatisées.

Une fois le processus de compilation terminé, la transpilation est la boucle d'optimisation suivante. Elle prend le circuit synthétisé et le fait correspondre au matériel souhaité. Ces optimisations comprennent la combinaison d'une séquence de portes en une seule porte équivalente et des transformations telles que le routage des qubits.

Un exemple de routage de qubits, une optimisation logicielle importante pour les transpilateurs, est la réduction des portes SWAP. Les portes SWAP échangent deux états quantiques et sont utilisées pour augmenter la connectivité effective des circuits quantiques et réduire les limitations de distance entre les qubits. Par exemple, si les qubits 1 et 3 sont séparés par le qubit 4, comme dans la carte matérielle ci-dessous, et que nous devons effectuer une porte à 2 qubits sur les qubits 1 et 3, nous devons d'abord effectuer une opération SWAP pour placer les états quantiques l'un à côté de l'autre. Nous devons appliquer une porte SWAP à 1 et 4, ou à 3 et 4, avant d'appliquer la porte à 2 qubits.

Cependant, les portes SWAP peuvent également augmenter la profondeur du circuit (le nombre de portes dans une rangée sur un qubit). En raison de la brièveté des temps de cohérence des qubits, l'augmentation de la profondeur se traduit par une augmentation du temps d'exécution et des opérations susceptibles d'entraîner davantage d'erreurs cumulées. Rendre les circuits quantiques plus efficaces signifie souvent minimiser l'utilisation de ces portes sans sacrifier l'efficacité du calcul.

Comme vous pouvez l'imaginer, le suivi de ces états quantiques au fur et à mesure qu'ils prennent de l'ampleur devient un problème organisationnel difficile à résoudre. Les capacités uniques de Classiq comprennent la génération automatique de circuits quantiques de haute qualité, adaptés au matériel.

Par exemple, si vous avez un algorithme quantique initialement composé de portes de rotation RX, RY et RZ, la transposition de ce circuit pour qu'il fonctionne sur un ordinateur quantique spécifique peut nécessiter la conversion de ces portes en portes prises en charge par le matériel.

Le schéma de circuit peut fournir des indications sur la structure globale du modèle. Dans la plateforme Classiq, vous pouvez spécifier le fournisseur de services backend, le nom du backend et les portes de base. L'analyse de ces visualisations dans la plateforme et de leurs versions transpilées correspondantes sur différents matériels peut conduire à des conceptions plus efficaces sur le plan matériel.

C'est formidable ! Vous disposez maintenant d'un outil qui peut transposer efficacement le code sur le matériel disponible et vous permettre de développer des circuits optimisés en une fraction du temps nécessaire à la modélisation au niveau des portes.
Vous avez optimisé votre code pour le matériel disponible. Avec Classiq, vous avez gagné des semaines de temps en ajustant les paramètres à un niveau élevé et en utilisant votre temps pour obtenir les meilleures performances de votre nouvel algorithme avec le matériel disponible.

Cartes de connectivité Problèmes de conception des ponts

La question qui subsiste est la suivante : et si nous pouvions concevoir une puce idéale optimisée pour le logiciel au lieu d'ajuster constamment le logiciel pour qu'il s'adapte au matériel préexistant ? Nous ne nous contentons pas d'envisager un environnement simulé avec une connectivité totale des qubits, mais nous imaginons une puce tangible et réelle optimisée pour l'algorithme.

Par exemple, pour une simple expérience d'évaluation d'une option européenne, nous disposons de cet algorithme de haut niveau :

Vous obtenez un circuit optimisé et conscient du matériel utilisant deux qubits sur un processeur IBM 5 qubits, auquel vous pouvez accéder sur la plateforme Classiq en générant des identifiants gratuitement sur le site IBM Quantum. Étant donné que seuls certains qubits peuvent servir de cible ou de porte de contrôle dans un CNOT, nous devons procéder à un SWAP :

Mais lorsque vous analysez le circuit de votre algorithme quantique, vous voyez quelques pistes d'amélioration possibles. L'ajout d'un qubit supplémentaire permettrait peut-être de réduire le nombre de portes SWAP. Ou, dans ce cas précis, l'ajout d'une autre porte de base réduirait le circuit et le temps d'exécution de plusieurs ordres de grandeur.

En ajoutant une seule porte matérielle Z, vous réduisez le nombre maximal de portes sur un qubit de 18 à 3 et vous éliminez complètement les portes de 2 qubits. Vous avez maintenant 4 portes au total, ce qui rend le temps d'exécution 10 fois plus rapide. Vous pouvez peut-être même obtenir un avantage quantique aujourd'hui.

Reconnaissant le fossé entre les méthodologies descendantes et ascendantes, Classiq introduit la carte de connectivité. Il ne s'agit pas de n'importe quelle carte, mais d'un pont stratégique qui permet de franchir le fossé entre le logiciel et le matériel.

Une carte de connectivité pour les ordinateurs quantiques décrit la façon dont les qubits sont interconnectés, ce qui décrit les opérations quantiques qui peuvent se produire entre les paires de qubits. Elle représente l'architecture matérielle (ou topologie) du processeur quantique. La disposition spécifique de la connectivité peut influencer l'efficacité et la possibilité d'exécuter des algorithmes quantiques, car des algorithmes spécifiques peuvent nécessiter l'interaction fréquente de plusieurs qubits. Si les interactions directes ne sont pas possibles, des portes intermédiaires, comme les portes SWAP, et des qubits supplémentaires peuvent être nécessaires, ce qui introduit une surcharge dans la correction des erreurs, la longueur du circuit et affecte même la taille de la puce.

La compréhension et l'optimisation de la carte de connectivité sont essentielles pour une conception et une compilation efficaces des circuits quantiques. En pratique, ces cartes aident les programmeurs et les compilateurs quantiques à optimiser le placement des opérations quantiques, en utilisant efficacement le matériel et en améliorant potentiellement les performances globales des algorithmes quantiques.

Mais que se passerait-il si vous inversiez le scénario et utilisiez la carte de connectivité comme un facteur dans la recherche et la conception algorithmiques plutôt que comme une réflexion après coup ?

Imaginez la puissance d'une carte de connectivité qui comprend à la fois la conception logicielle de haut niveau et les nuances de la puce physique. En alignant dès le départ les exigences du logiciel sur les capacités de la puce, il est possible d'obtenir une efficacité sans précédent. Cela signifie que les algorithmes peuvent être conçus avec une compréhension claire des contraintes du matériel, et de même, les puces peuvent être conçues avec des algorithmes quantiques spécifiques à l'esprit.

Par conséquent, en utilisant la plateforme Classiq, vous pouvez synthétiser le circuit pour du matériel non disponible dans la plateforme Classiq - même la puce idéale du monde réel que vous souhaiteriez avoir pour votre problème. Vous pouvez spécifier les paramètres personnalisés du matériel souhaité. Cela inclut le jeu de portes de base et la carte de connectivité du matériel.

Les avantages d'une approche intégrée sont doubles. Premièrement, elle permet de créer des algorithmes quantiques plus efficaces, car les développeurs de logiciels comprennent mieux les capacités et les limites du matériel. Deuxièmement, les concepteurs de matériel peuvent créer des puces quantiques spécifiquement adaptées à l'exécution de certains algorithmes, ce qui se traduit par de meilleures performances et des calculs quantiques potentiellement plus rapides. L'avenir de la co-conception de logiciels et de l'optimisation du matériel dans l'informatique quantique semble exceptionnellement prometteur grâce à cette passerelle qui rendra la technologie quantique véritablement "complète".

L'avenir de l'informatique quantique complète

Au fur et à mesure que Classiq et d'autres plateformes similaires arrivent à maturité, le domaine verra probablement une plus grande intégration entre les algorithmes quantiques et le développement du matériel. Cette approche semble maximiser le potentiel des technologies quantiques en permettant un processus de développement plus rapide, ce qui nous rapproche du potentiel de transformation de l'informatique quantique.

En commençant par la conception de haut niveau, en automatisant la compilation et la transpilation des circuits quantiques et en intégrant des cartes de connectivité personnalisées, tout en ouvrant l'accès au matériel quantique par l'intermédiaire de nombreux fournisseurs de matériel, les outils de Classiq permettent aux chercheurs d'optimiser les algorithmes pour des architectures matérielles spécifiques afin d'améliorer l'efficacité globale, d'acquérir des connaissances inestimables sur les circuits quantiques et de visualiser les performances des algorithmes sur différents types de matériel.

Un accès gratuit est disponible pour tous en s'inscrivant à la plateforme Classiq ici. N'hésitez pas à partager vos expériences, vos commentaires et vos réussites avec Classiq en rejoignant la communauté Slack et en contactant l'équipe Classiq ici. Ces exemples concrets peuvent inspirer d'autres personnes et montrer l'impact de la co-conception et de l'optimisation du matériel, en offrant des perspectives de collaboration entre les logiciels quantiques et les efforts en matière de matériel. Il s'agit d'un grand pas vers une nouvelle ère de technologies quantiques qui révolutionneront de nombreuses industries et résoudront des problèmes complexes dépassant les capacités de l'informatique classique.