La découpe de circuits quantiques comble un vide informatique quantique

Un ordinateur quantique universel avec un million de qubits résoudra un large éventail de problèmes, mais même dans ce cas, décharger des problèmes entiers sur un circuit quantique n’est peut-être pas la meilleure utilisation des ressources.

Dans cet esprit, les entreprises et les chercheurs accordent plus d’attention au concept de découpage des circuits quantiques, qui décompose les grands circuits quantiques en fragments plus petits pour une exécution sur plusieurs appareils, qui pourraient inclure des ordinateurs quantiques et classiques.

Le mois dernier, IBM a intégré le découpage de circuits comme élément clé de sa feuille de route quantique, et a également donné à la technologie son propre nom, l’appelant circuits dynamiques. Dell examine de près la coupure de circuit quantique pour brancher des ordinateurs quantiques en tant qu’accélérateurs dans une infrastructure informatique classique.

« La découpe de circuits quantiques est le processus de partition d’un grand circuit quantique en fragments plus petits qui peuvent être exécutés indépendamment, soit successivement sur le même appareil, soit sur plusieurs appareils », a déclaré Olivia Di Matteo, professeure adjointe à l’Université de la Colombie-Britannique. Département de génie électrique et informatique.

L’avantage quantique dépend de la capacité à exécuter le plus grand nombre de circuits sur un problème complexe. Il y a des priorités plus élevées pour les entreprises développant des ordinateurs quantiques, qui incluent la stabilité des circuits quantiques, la correction des erreurs et les topologies, mais la coupure de circuit fait maintenant partie des feuilles de route des produits.

Lors du salon Supercomputing 2023 (SC23) le mois dernier, certaines entreprises étaient au courant du concept, qui émerge tout juste de la recherche. Pour Ken Durazzo, vice-président de la recherche chez Dell, la découpe de circuits quantiques sera une étape importante pour garantir que les ordinateurs quantiques s’intègrent aux infrastructures informatiques classiques existantes.

Dell a élaboré un modèle pour un modèle informatique hybride classique-quantique avec des serveurs conventionnels hébergeant et gérant des ordinateurs quantiques connectés en tant qu’accélérateurs. La base actuelle du modèle hybride de Dell implique que les ordinateurs classiques envoient un problème quantique complet à un circuit quantique et reçoivent la sortie une fois les calculs terminés.

Mais à un moment donné, Durazzo espère que des concepts tels que l’informatique quantique sur circuit émergeront pour décomposer une tâche quantique et bifurquer son exécution entre un matériel quantique physique et des simulateurs logiciels sur des systèmes classiques.

Allaient voir de plus en plus de modèles de cette interaction entre la simulation classique et les systèmes quantiques physiques réels, où l’orchestration intelligente et la capacité de comprendre où exécuter au mieux ces fonctions ou opérations particulières vont devenir plus critiques, a déclaré Durazzo HPCwireajoutant Nous étions bien positionnés pour ce monde tel qu’il émerge.

Dell aurait besoin d’améliorer son processeur hôte dans un système classique capable d’effectuer une planification intelligente et de répartir les charges de travail entre les circuits quantiques et les simulateurs fonctionnant sur des GPU.

IBM, Nvidia, Intel et d’autres fabricants d’ordinateurs quantiques proposent des simulateurs quantiques sur des ordinateurs classiques capables de reproduire du matériel quantique. L’objectif est d’aider les entreprises à prototyper l’informatique sur des circuits quantiques. Le logiciel QODA de Nvidia agit comme un substitut d’ordinateur quantique et fonctionne sur des GPU.

Les circuits dynamiques d’IBM ont été salués comme une réalisation et une étape majeure par Blake Johnson, responsable du moteur quantique, lors du sommet IBM Quantum du mois dernier.

« Les circuits dynamiques associent le calcul classique en temps réel aux opérations quantiques, permettant la rétroaction et l’avance des mesures quantiques pour orienter le cours d’un calcul », a déclaré Johnson lors de l’événement.

L’accent d’IBM pour le circuit quantique est axé sur une utilisation plus efficace des circuits quantiques par opposition au déchargement vers des simulateurs sur des ordinateurs classiques. Beaucoup de choses peuvent être faites avec des circuits dynamiques, a déclaré Johnson.

« Juste pour donner un cas d’utilisation concret, nous savons que les circuits dynamiques offrent de nouvelles opportunités pour réduire la profondeur du circuit », a déclaré Johnson. Cela ajoute plus de capacité de calcul à ses ordinateurs quantiques.

IBM a annoncé avoir déployé des circuits dynamiques en permettant leur exploration sur ses systèmes quantiques en direct. L’objectif à long terme de la société est de développer un ordinateur quantique universel, qui devra prendre en charge 1 million de qubits, mais elle emprunte une voie alternative pour commercialiser ses ordinateurs quantiques avec des concepts tels que la découpe de circuits.

Lors du sommet, IBM a annoncé la puce quantique « Osprey » de 433 qubits et IBM Quantum System Two, qui peut prendre en charge jusqu’à 4 158 qubits dans un seul système. Les circuits dynamiques peuvent être pertinents pour le système deux, qui peut être connecté à d’autres ordinateurs quantiques du système deux pour étendre la capacité de traitement. Les serveurs classiques peuvent également être connectés à un System Two pour les applications qui incluent l’apprentissage automatique et l’analyse. (Pour en savoir plus sur les récentes annonces quantiques d’IBM, consultez notre analyse approfondie, ici.)

La coupure de circuit quantique résout les limites des systèmes quantiques actuels, a déclaré Di Matteo de l’UBC HPCwire.

« L’un des avantages est que ces fragments de circuit utilisent moins de qubits, ce qui nous permet d’effectuer des calculs plus importants sur les appareils que nous avons aujourd’hui, qui sont relativement petits », a déclaré Di Matteo.

Une autre est que les fragments sont généralement plus courts que le circuit d’origine, de sorte que les calculs souffrent moins des effets du bruit et du temps de cohérence limité, ce qui est un défi du matériel d’aujourd’hui, a-t-elle déclaré.

La procédure de coupure de circuit quantique a également ses inconvénients, car la mise à l’échelle et les frais généraux occasionnés par la coupure sont problématiques.

« Pour l’avenir, nous devons développer des méthodes plus efficaces qui résolvent des problèmes tels que la recherche d’emplacements de coupe optimaux pour les problèmes de structure arbitraire et la minimisation du nombre d’exécutions de circuits et de mesures supplémentaires nécessaires », a déclaré Di Matteo.

Mais l’idée d’une coupure de circuit quantique est tenace, même lorsqu’un ordinateur quantique atteint un million de qubits.

« Je ne pense pas qu’il y ait une durée de vie au concept ; quelle que soit la taille de l’ordinateur quantique que nous construisons, nous pourrons toujours rêver de quelque chose de plus grand qui nécessitera plus de ressources que nous n’en avons à portée de main », a déclaré Di Matteo.