Une nouvelle découverte par des chercheurs de l'Université de Chicago promet d'améliorer jusqu'à dix fois la vitesse et la fiabilité des ordinateurs quantiques actuels et de la prochaine génération. En combinant les principes de la physique et de l'informatique, les chercheurs ont développé un nouveau compilateur évolutif qui rend le logiciel conscient du matériel quantique sous-jacent, offrant des avantages significatifs en termes de performances alors que les scientifiques se précipitent pour construire les premiers ordinateurs quantiques pratiques.

Le groupe de recherche UChicago comprend des informaticiens et des physiciens de la collaboration EPiQC (Enabling Practical-scale Quantum Computation), une expédition NSF en informatique qui a débuté en 2018. EPiQC vise à combler le fossé entre les algorithmes théoriques existants et les architectures pratiques d'informatique quantique sur des appareils à court terme.

Fusionner les approches de l'informatique et de la physique

La technique de base derrière l'article de l'équipe EPiQC adapte le contrôle quantique optimal, une approche développée par les physiciens bien avant que l'informatique quantique ne soit possible. Le contrôle optimal quantique affine les boutons de commande des systèmes quantiques afin de conduire en continu les particules vers les états quantiques souhaités - ou dans un contexte informatique, mettre en œuvre un programme souhaité.

En cas d'adaptation réussie, un contrôle quantique optimal permettrait aux ordinateurs quantiques d'exécuter des programmes avec la plus grande efficacité possible... mais cela s'accompagne d'un compromis en termes de performances.

"Les physiciens utilisent en fait le contrôle quantique optimal pour manipuler de petits systèmes depuis de nombreuses années, mais le problème est que leur approche n'évolue pas, ", a déclaré le chercheur Yunong Shi.

Même avec du matériel de pointe, il faut plusieurs heures pour exécuter un contrôle quantique optimal ciblé sur une machine avec seulement 10 bits quantiques (qubits). De plus, ce temps d'exécution évolue de façon exponentielle, ce qui rend le contrôle quantique optimal intenable pour les machines de 20 à 100 qubits attendues dans l'année à venir.

Pendant ce temps, les informaticiens ont développé leurs propres méthodes pour compiler des programmes quantiques jusqu'aux boutons de commande du matériel quantique. L'approche informatique a l'avantage de l'évolutivité :les compilateurs peuvent facilement compiler des programmes pour des machines avec des milliers de qubits. Cependant, ces compilateurs ignorent en grande partie le matériel quantique sous-jacent. Souvent, il existe un grave décalage entre les opérations quantiques traitées par le logiciel et celles exécutées par le matériel. Par conséquent, les programmes compilés sont inefficaces.

Les travaux de l'équipe EPiQC fusionnent les approches informatique et physique en divisant intelligemment les grands programmes quantiques en sous-programmes. Chaque sous-programme est suffisamment petit pour être géré par l'approche physique du contrôle optimal quantique, sans rencontrer de problèmes de performances. Cette approche réalise à la fois l'évolutivité au niveau du programme des compilateurs traditionnels du monde informatique et les gains d'efficacité au niveau du sous-programme du contrôle quantique optimal.

La génération intelligente de sous-programmes est pilotée par un algorithme d'exploitation de la commutativité, un phénomène dans lequel les opérations quantiques peuvent être réorganisées dans n'importe quel ordre. À travers un large éventail d'algorithmes quantiques, pertinent à court et à long terme, le compilateur de l'équipe EPiQC atteint des accélérations d'exécution deux à dix fois supérieures à la ligne de base. Mais en raison de la fragilité des qubits, les accélérations de l'exécution du programme quantique se traduisent par des taux de réussite exponentiellement plus élevés pour le calcul final. Comme Shi le souligne, "sur les ordinateurs quantiques, accélérer votre temps d'exécution, c'est faire ou mourir."

Briser les barrières de l'abstraction

Cette nouvelle technique de compilateur est un changement significatif par rapport aux travaux antérieurs. "Les compilateurs passés pour les programmes quantiques ont été calqués sur les compilateurs pour les ordinateurs conventionnels modernes, " a déclaré Fred Chong, Seymour Goodman, professeur d'informatique à UChicago et responsable principal de l'EPiQC. Mais contrairement aux ordinateurs conventionnels, les ordinateurs quantiques sont notoirement fragiles et bruyants, les techniques optimisées pour les ordinateurs conventionnels ne sont donc pas adaptées aux ordinateurs quantiques. "Notre nouveau compilateur est différent de l'ensemble précédent de compilateurs d'inspiration classique car il brise la barrière d'abstraction entre les algorithmes quantiques et le matériel quantique, ce qui conduit à une plus grande efficacité au prix d'un compilateur plus complexe."

Alors que la recherche de l'équipe s'articule autour de rendre le logiciel du compilateur conscient du matériel sous-jacent, il est indépendant du type spécifique de matériel sous-jacent. Ceci est important car il existe plusieurs types différents d'ordinateurs quantiques actuellement en cours de développement, tels que ceux avec des qubits supraconducteurs et des qubits d'ions piégés.

L'équipe s'attend à voir des réalisations expérimentales de leur approche dans les prochains mois, surtout maintenant qu'une norme industrielle ouverte, OpenPulse, a été défini. Cette norme permettra le fonctionnement des ordinateurs quantiques au niveau le plus bas possible, au besoin pour les techniques de contrôle optimal quantique. La feuille de route quantique d'IBM met en évidence le support OpenPulse comme un objectif clé pour 2019, et d'autres sociétés devraient également annoncer des plans similaires.

Le papier complet de l'équipe, "Optimized Compilation of Aggregated Instructions for Realistic Quantum Computers" est maintenant publié sur arXiv et sera présenté à la conférence d'architecture informatique ASPLOS à Rhode Island le 17 avril. En plus de Shi et Chong, les co-auteurs incluent Nelson Leung, Pranav Gokhalé, Zane Rossi, David I. Schuster, et Henry Hoffmann, le tout à l'Université de Chicago.