Bien avant que les ordinateurs numériques ne prennent d'assaut le monde, les machines analogiques aidaient les humains à modéliser le monde. La nature subtile de la physique quantique nous invite à revoir la distinction entre numérique et analogique. Sur PASQAL, nous embrassons cette dualité pour développer des solutions hybrides numériques/analogiques afin d'accélérer le chemin vers l'avantage quantique.
Informatique numérique ou analogique
Nous nous sommes tellement habitués aux ordinateurs que nous oublions les merveilles et les étrangetés qu'ils représentent. Voici un moteur qui, au lieu de convertir la chaleur en mouvement, transforme les questions en réponses. De ce point de vue, les ordinateurs existent depuis des millénaires. Au IIe siècle avant J.-C., les Grecs de l'Antiquité utilisaient déjà des ordinateurs à main, à savoir le mécanisme d'Antikythera - pour prédire les positions astronomiques et les éclipses.
Mais qu'est-ce qui fait la spécificité des ordinateurs d'aujourd'hui ? Et pourquoi l'informatique quantique appelle-t-elle des perspectives plus larges ?
Pour résoudre un problème ou répondre à la demande d'un utilisateur, un ordinateur a besoin de temps pour réfléchir. Le processus de réflexion peut se dérouler en continu ou par étapes discrètes. En d'autres termes, l'ordinateur peut être analogique ou numérique. Aujourd'hui, l'informatique numérique est l'approche dominante, à tel point qu'elle est pratiquement devenue synonyme d'informatique. Mais il n'en a pas toujours été ainsi, car avant les années 1960, les deux approches informatiques étaient sur un pied d'égalité.
Plusieurs raisons expliquent la domination de l'informatique numérique : l'universalité et la résistance aux erreurs, pour n'en citer que quelques-unes. Cependant, les ordinateurs analogiques ont apporté un avantage informatique aux humains bien avant leurs homologues numériques.
Les ordinateurs analogiques appliqués à la résolution d'équations différentielles ont été introduits par Gaspard-Gustave Coriolis dès 1836. Ces ordinateurs ont continué à évoluer au cours du 19e et du début du 20e siècle et ont été utilisés pour prédire les marées et les trajectoires de projectiles. L'ordinateur analogique ordinateur analogique Deltar (figure 1) a été utilisé dans la conception et la mise en œuvre des travaux du Delta - un projet d'infrastructure massif visant à protéger de la mer les zones densément peuplées des Pays-Bas - de 1960 à 1984.
Réexamen de l'informatique analogique avec l'informatique quantique
Les ordinateurs quantiques existent également en version numérique et analogique. Dans l'informatique quantique numérique, nous exécutons des algorithmes en mettant en œuvre des séquences d'opérations discrètes, communément appelées portes quantiques. Dans le cas analogique, l'utilisateur contrôle un petit nombre de paramètres et l'ordinateur quantique évolue continuellement vers une réponse.
L'une des principales raisons pour lesquelles l'informatique classique est devenue numérique est la résistance aux erreurs. En effet, les petites erreurs sont éliminées par l'arrondi dans le cadre numérique. En fait, 0,99 est considéré comme 1 et 0,002 comme 0, ce qui rend les bits résistants aux petites erreurs. En outre, tous les calculs possibles peuvent être écrits en termes d'opérations numériques. Les ordinateurs numériques sont universels. On peut donc se demander si l'idée d'un calcul quantique analogique vaut la peine d'être envisagée. Bien sûr que oui !
Dans le domaine classique, les ordinateurs analogiques présentent déjà des caractéristiques intéressantes lorsqu'ils sont utilisés pour résoudre des tâches spécifiques. Si nous renonçons à l'universalité, les ordinateurs analogiques peuvent être utilisés comme des accélérateurs puissants et économes en énergie.
En outre, la question de l'analogique par rapport au numérique est plus subtile dans le domaine quantique. Le continu et le discret sont inextricablement liés dans les systèmes quantiques. Vous avez peut-être entendu parler de la dualité onde/particule. Les qubits sont des objets analogiques jusqu'au moment où ils sont mesurés et deviennent numériques. Cela signifie que les ordinateurs quantiques, même numériques, seront toujours quelque peu analogiques. Nous sommes convaincus que les ordinateurs quantiques doivent intégrer cette dualité et l'exploiter comme une ressource.
Dualité numérique/analogique
Les ordinateurs quantiques de PASQAL ont double capacité numérique/analogique. Les calculs dans nos processeurs quantiques suivent trois étapes principales. Tout d'abord, nous encodons les informations d'entrée dans un réseau d'atomes neutres. Ensuite, nous traitons l'information au moyen de lasers soigneusement réglés. Enfin, l'état final est lu, en prenant une "image" des atomes, afin d'extraire le résultat du calcul. Nos ordinateurs peuvent exécuter l'étape de traitement en mode numérique ou analogique, ou en combinant les deux. Comme nous le verrons, cela nous permettra de profiter des avantages de l'informatique quantique à court et à long terme.
Dans l'approche numérique, les algorithmes quantiques sont décomposés en une succession de portes quantiques, à partir d'un ensemble d'opérations prédéfinies et calibrées. Dans les ordinateurs de PASQAL, ces portes sont réalisées en envoyant de courtes impulsions laser finement réglées sur les atomes neutres.
Le principal avantage de l'approche numérique est son universalité. Chaque opération possible sur un ordinateur quantique peut être exprimée sous la forme d'une séquence (finie) de portes. Le problème est que les ordinateurs quantiques actuels ne peuvent exécuter que des séquences extrêmement courtes avant que les résultats ne deviennent peu fiables. En effet, les portes individuelles sont bruyantes et les erreurs s'accumulent. Ainsi, même les grands ordinateurs quantiques numériques (à plusieurs qubits) ont des capacités très limitées. En revanche, le mode analogique est un peu moins polyvalent, mais aussi moins sensible aux erreurs (bruit). Tout comme dans le cas classique, l'approche analogique devrait apporter un avantage précoce dans des applications spécifiques, mais critiques.
Nous souhaitons souligner ici que cette approche en général est distincte de l'approche analogique plus restrictive appelée recuit quantique - une technique d'optimisation à variation continue avancée par D-Wave et d'autres groupes (voir l'encart 1).
Encart 1 : Calcul quantique analogique et recuit quantique
Le recuit quantique est un paradigme informatique qui permet de résoudre une catégorie particulière de problèmes : l'optimisation. Bien qu'en théorie, tout problème puisse être considéré comme un problème d'optimisation, il est plus adapté aux tâches qui ont déjà cette forme. Dans le recuit quantique, un registre d'éléments quantiques est préparé dans un état initial. Ensuite, par une opération analogique dépendant du temps, le système évolue vers un état final, après quoi la solution est lue. Ce processus doit se dérouler suffisamment lentement pour rester proche des bonnes solutions au problème. Le calcul analogique général, du type de celui utilisé par les ordinateurs à atomes neutres sur le site PASQAL , peut faire plus que cela : outre les tâches d'optimisation, il est possible de s'attaquer à des tâches de simulation telles que celles de la chimie, de la physique et de l'ingénierie des matériaux. En outre, en combinaison avec des portes numériques (approche numérique-analogique), il est possible d'exécuter des algorithmes variationnels tels que l'apprentissage automatique quantique, la résolution d'équations différentielles et l'analyse de données graphiques.
Avantage quantique analogique
Le mode analogique des ordinateurs de PASQAL incarne le rêve de Richard Feynman d'utiliser des systèmes quantiques synthétiques pour simuler la nature. Nous avons déjà dépassé les capacités de calcul classiques en modélisant des systèmes physiques en mode analogique. Nous avons simulé l'antiferromagnétisme dans des matériaux 2D à une échelle inaccessible avec du matériel classique et mis en œuvre des simulateurs programmables pour deux modèles emblématiques du magnétisme quantique. deux modèles emblématiques du magnétisme quantique.
Ces réalisations sont fondées sur l'évolutivité inégalée de nos processeurs quantiques à atomes neutres et sur la robustesse au bruit du mode analogique. Notre capacité à faire fonctionner efficacement des centaines de qubits en mode analogique est la clé pour aller au-delà des capacités classiques. De plus, nos ordinateurs quantiques peuvent mettre en œuvre une grande variété d'opérations analogiques. Ainsi, nous avons un équilibre très positif entre l'universalité et la résistance aux erreurs.
Aujourd'hui, nous prenons des mesures décisives pour apporter l'avantage quantique analogique aux applications industrielles. L'une de ces applications très prometteuses est la résolution d'équations différentielles, qui fait écho à l'histoire de l'informatique classique. Pour faire avancer ce programme, nous avons introduit de puissants solveurs d'équations différentielles compatibles avec le matériel quantique à court terme et les avons testés sur des problèmes d'ingénierie paradigmatiques, tels que la modélisation de l'intégrité structurelle.
Il est intéressant de noter que les performances de nos solveurs sont améliorées lorsqu'ils sont exécutés en mode hybride numérique/analogique. exécutés en mode hybride numérique/analogique. Alors que les portes à un qubit sont utilisées pour régler et orienter la sortie vers une solution, les opérations à plusieurs qubits sont nécessaires pour exploiter la puissance de l'"enchevêtrement", une ressource intrinsèquement indisponible pour les ordinateurs classiques. En mode numérique, ces opérations d'enchevêtrement sont décomposées en un grand nombre de portes à deux qubits. Cependant, dans notre cadre analogique, la dynamique d'interaction naturelle entre les atomes les enchevêtre efficacement en peu de temps et avec moins d'erreurs. Cela permet au système global d'évoluer efficacement vers le résultat souhaité.
Les équations différentielles sont essentielles dans un grand nombre d'industries. L'impact d'un avantage quantique dans ce domaine pourrait donc être immense. C'est pourquoi nous travaillons en étroite collaboration avec les utilisateurs finaux de l'industrie sur ces questions. Par exemple, nous collaboration avec BMW afin d'utiliser nos solveurs pour modéliser le processus de formage des métaux, l'une des principales tâches de fabrication du constructeur automobile.
Nous nous sommes également appuyés sur notre mode analogique pour mettre en œuvre de nouvelles techniques d'apprentissage automatique améliorées par le quantique. Jusqu'à présent, nous nous sommes concentrés sur les problèmes liés aux graphes avec des applications en chimie et en finance. des applications dans les domaines de la chimie et de la finance. Nous travaillons avec avec nos partenaires de Crédit Agricole CIB afin d'appliquer ces méthodes à l'anticipation de la détérioration du risque d'une exposition financière. Nous avons introduit la méthode du noyau d'évolution quantique (QEK), qui exploite les caractéristiques uniques du matériel PASQAL pour résoudre les problèmes de classification de graphes. Les QEK peuvent présenter des avantages par rapport aux noyaux classiques en termes de précision et de coûts de calcul. Par exemple, les chercheurs du PASQAL appliquent les QEK à des méthodes d'évaluation de la toxicité des composés, à l'identification des voies de réaction chimique optimales et à la prédiction des propriétés des matériaux polycristallins.
Conclusion
À l'adresse PASQAL , nous acceptons la double nature analogique/numérique des ordinateurs quantiques. Il faudra des années avant que les ordinateurs quantiques numériques n'atteignent leur plein potentiel. Cela ne devrait pas empêcher l'avènement de l'avantage quantique. Les ordinateurs analogiques classiques nous ont donné des capacités de calcul surhumaines bien avant la révolution numérique. Leurs descendants quantiques pourraient faire de même.
Aujourd'hui, il est impossible d'enchevêtrer et d'exploiter des qubits numériquement, même en petit nombre. Mais à l'adresse PASQAL, nous pouvons le faire avec des centaines de qubits dans notre mode analogique, dès aujourd'hui. Notre équipe exploite cette capacité pour résoudre plusieurs problèmes passionnants et les résultats sont extrêmement prometteurs. Nous vous ferons part de nos découvertes dans les mois à venir. Restez à l'écoute !
Contexte PASQAL
PASQAL est le premier fabricant d'ordinateurs quantiques à atomes neutres. Notre technologie utilise des atomes individuels piégés par des faisceaux laser pour créer des bits quantiques et effectuer des calculs sur ceux-ci. Nous sommes une entreprise à part entière qui propose des solutions quantiques à des secteurs tels que l'énergie, la mobilité, les soins de santé, la haute technologie et la finance.
