La collaboration fournit un catalyseur pour l'accélération quantique

Le prix Nobel de physique 2022 a récompensé les expériences pionnières d'Alain Aspect, John Clauser et Anton Zeilinger qui ont pour la première fois démontré le potentiel des systèmes quantiques pour le traitement de l'information. Plusieurs décennies plus tard, des scientifiques et des ingénieurs de l'industrie et du milieu universitaire s'appuient sur ces réalisations pour créer des ordinateurs quantiques fonctionnels qui offrent un aperçu alléchant de leur potentiel à résoudre des problèmes complexes dans une gamme d'applications.

Bien que les progrès réalisés à ce jour soient impressionnants, il reste encore beaucoup à faire pour créer des ordinateurs quantiques capables de surpasser leurs homologues classiques. Les processeurs quantiques à petite échelle d'aujourd'hui poussent maintenant le nombre de qubits vers la gamme 100-1000, mais ils sont affectés par le bruit et les erreurs qui limitent leurs capacités de calcul. La mise à l'échelle de la technologie pour obtenir un large avantage quantique nécessitera l'ingéniosité scientifique et le savoir-faire en ingénierie dans de nombreuses disciplines différentes, ainsi qu'une collaboration étroite entre les secteurs universitaire et commercial.

Au Royaume-Uni, cette collaboration a été encouragée par le Programme national de technologies quantiques (NQTP), une initiative d'un milliard de livres sterling qui, depuis 1, soutient des pôles technologiques dans les domaines de la détection quantique, de l'imagerie, des communications et de l'informatique. "Nous avons un écosystème riche qui travaille ensemble pour pousser la mise à l'échelle des ordinateurs quantiques afin de fournir des applications utiles", déclare Elham Kashefi, professeur d'informatique quantique à l'Université d'Édimbourg et directeur de recherche CNRS à l'Université de la Sorbonne à Paris.

Kashefi vient d'être nommé Chief Scientist du Royaume-Uni Centre national de calcul quantique (NQCC), une installation nationale lancée en 2020 en tant que programme phare du NQTP. Le NQCC vise à accélérer la livraison de l'informatique quantique au Royaume-Uni en s'associant à des groupes de recherche et au secteur commercial pour relever les défis de mise à l'échelle.

« Une partie de mon rôle au sein du NQCC consistera à rassembler les développeurs d'applications et les utilisateurs finaux pour faire avancer le développement d'appareils utiles », déclare Kashefi. "Nous en sommes maintenant au stade où les exigences en matière d'algorithmes peuvent influencer la conception du matériel, nous permettant de combler l'écart entre le cas d'utilisation souhaité et la machine émergente."

Avec une formation en informatique, Kashefi défend depuis longtemps le rôle que les logiciels et les algorithmes peuvent jouer dans le développement de solutions quantiques. Elle a coordonné le programme de recherche sur les logiciels au sein du Pôle d'informatique et de simulation quantiques (QCS), un consortium d'universités britanniques soutenu par le NQTP qui se concentre sur les défis scientifiques critiques de l'informatique quantique. Le hub a été la rampe de lancement d'un certain nombre de start-ups défendant différentes solutions matérielles et logicielles, et travaille désormais avec le NQCC pour développer l'écosystème informatique quantique britannique en traduisant les forces de la recherche en technologies innovantes.

Dans le cadre de son nouveau rôle, Kashefi travaillera avec le NQCC pour établir un laboratoire de logiciels quantiques à l'Université d'Édimbourg, une initiative centrale qui étendra encore l'empreinte nationale du programme du NQCC. "Le défi d'évolutivité auquel nous sommes actuellement confrontés avec les qubits physiques est un problème que l'informatique et les logiciels d'application peuvent aider à résoudre", dit-elle. "Nous pouvons optimiser les exigences des qubits en co-développant le logiciel et les systèmes de contrôle pour répondre aux besoins de l'application."

Un tel co-développement exige une approche multidisciplinaire qui combine la connaissance du matériel quantique et du traitement de l'information avec l'expertise de mathématiciens et d'informaticiens qui savent comment résoudre des problèmes informatiques complexes.

"La connexion avec la richesse des connaissances que nous avons en informatique classique nous permettra d'optimiser les architectures système et les systèmes de contrôle, ainsi que les protocoles d'atténuation et de correction des erreurs, afin d'obtenir le meilleur résultat des plates-formes matérielles", déclare Kashefi. "Par exemple, les personnes travaillant dans le calcul haute performance ont passé beaucoup de temps à trouver comment résoudre les problèmes d'optimisation, et leur contribution contribuera à accélérer le développement de solutions quantiques qui offrent un avantage informatique."

Une voie prometteuse est le développement d'approches hybrides qui combinent des dispositifs quantiques émergents avec une infrastructure informatique classique. À titre d'exemple, le CNCQ est un partenaire du Collaboration QuPharma, un projet de 6.8 millions de livres sterling qui vise à réduire radicalement le temps nécessaire à l'exécution de simulations moléculaires pour la découverte de médicaments.

Dirigé par un développeur de matériel SEEQC Royaume-Uni et impliquant le géant pharmaceutique allemand Merck KgaA, le projet vise à combiner le processeur quantique de SEEQC avec un supercalculateur classique pour créer une plate-forme plus puissante pour la conception de médicaments. "Nous devons comprendre les points faibles de l'industrie pour nous permettre de les traduire en problèmes de recherche que l'informatique quantique pourrait être en mesure de résoudre", souligne Kashefi.

Ces projets collaboratifs s'appuient sur l'expertise scientifique du secteur universitaire britannique, qui a nourri des recherches de classe mondiale sur la théorie quantique, les logiciels et les algorithmes, ainsi que des travaux expérimentaux sur toutes les principales architectures qubit.

"En tant que personne qui se concentre sur les applications et la vérification, j'ai été ravi d'avoir accès à des plates-formes qubit allant des circuits supraconducteurs et des ions piégés à la photonique et aux dispositifs à base de silicium", déclare Kashefi. "Lorsque nous écrivons le code, nous devons être conscients des capacités et des limites de chaque plate-forme qubit, car certaines applications peuvent être plus adaptées au modèle de bruit ou à la connectivité offerte par une solution matérielle particulière."

L'industrie quantique émergente bénéficie également de la force de la base scientifique au Royaume-Uni, de nombreuses start-ups quantiques entretenant des liens étroits avec leurs anciens groupes de recherche pour faire progresser la technologie et accélérer leurs programmes de développement.

"Le secteur universitaire agit comme une usine à idées", déclare David Lucas, chercheur principal du QCS Hub et co-responsable du groupe d'informatique quantique à ions piégés à l'Université d'Oxford. "La mise à l'échelle de la technologie est un défi d'ingénierie qui va au-delà des capacités d'un seul département de recherche universitaire." En effet, l'un des rôles clés du CNCQ est de fournir l'infrastructure et de faciliter la collaboration qui sera nécessaire pour relever ces défis d'ingénierie.

Cette synergie entre l'industrie et le monde universitaire a été particulièrement efficace dans le développement de la plate-forme Maxwell, un système commercial de calcul quantique à atomes neutres démontré par M au carré, un développeur de technologies photoniques et quantiques, au Royaume-Uni Vitrine nationale des technologies quantiques en novembre 2022. La version actuelle du système peut prendre en charge 100 qubits, et le PDG de M Squared, Graeme Malcolm, affirme qu'il existe une voie claire pour faire évoluer la technologie à 400 qubits et au-delà.

« Pour créer Maxwell, nous avons formé un partenariat stratégique avec l'Université de Strathclyde, qui a permis à notre entreprise d'accéder à une physique révolutionnaire de classe mondiale », déclare Malcolm. "C'était formidable d'avoir un département universitaire aussi solide à notre porte, auquel nous pouvons nous appuyer pour une expertise spécialisée, tandis que nous avons pu apporter la capacité d'ingénierie nécessaire pour développer un produit fiable."

Maxwell est basé sur une architecture qubit à atomes neutres perfectionnée par Jonathan Pritchard et son équipe de recherche à Strathclyde. La plate-forme expérimentale, qui s'appuie sur la technologie laser de base de M Squared pour manipuler les transitions d'énergie dans les atomes ultrafroids, a été développée dans le cadre d'un partenariat EPSRC pour la prospérité appelé Carré.

« Nous avons travaillé en étroite collaboration avec les ingénieurs en photonique de M Squared pour optimiser les performances des lasers et, dans certains cas, pour concevoir de nouveaux dispositifs adaptés aux processus atomiques spécifiques dont nous avons besoin », explique Pritchard. Parallèlement, le développement du système commercial a été permis par la DÉCOUVERTE programme, un projet de 10 millions de livres sterling coordonné par M Squared et soutenu par le programme Quantum Technologies Challenge d'Innovate UK pour lever les barrières technologiques à l'informatique quantique commerciale.

L'une des prochaines étapes de la collaboration consistera à travailler avec Andrew Daley, un expert en simulation et en informatique quantiques à l'Université de Strathclyde, pour développer des algorithmes quantiques qui démontrent la capacité de la plateforme. En 2021, une équipe de recherche dirigée par l'Université de Harvard aux États-Unis a montré qu'un système d'atomes neutres composé de 256 qubits pouvait être utilisé pour simuler et observer le comportement quantique de systèmes à plusieurs corps, et plus tôt cette année, l'équipe a utilisé un 289-qubit version à démontrer une voie vers un avantage quantique pour une classe spécifique d'algorithmes quantiques analogiques.

"Le système que nous avons développé avec l'Université de Strathclyde est compétitif avec les meilleurs ordinateurs quantiques à atomes neutres au monde", déclare Malcolm. "Maintenant, nous voulons mettre certains de ces algorithmes sur le matériel que nous avons démontré et établir des partenariats pour voir où il peut offrir de la valeur pour les défis du monde réel."

Ce besoin de mettre en place des protocoles d'analyse comparative et de certification robustes est une autre priorité importante pour Kashefi et le NQCC. Dans son propre programme de recherche, Kashefi s'est concentrée sur le développement d'outils de vérification et de test, qui, selon elle, contribueront à accélérer le développement des technologies les plus prometteuses.

"Lorsque différents appareils émergent, nous devons savoir comment les évaluer et comment comparer leurs performances à d'autres plates-formes", dit-elle. "Un cadre de test fiable fournit des informations cruciales qui nous permettront de passer plus rapidement à un nouveau régime."

En 2021, le NQCC a commandé Ruelle, spécialiste des algorithmes et logiciels quantiques, pour développer une suite d'analyse comparative permettant de comparer les performances entre différents types de processeurs quantiques. Un consortium dirigé par le National Physical Laboratory étudie également des paramètres clés pour l'informatique quantique, en vue de développer des normes ouvertes pour soutenir le développement technologique international. "Le NQCC n'essaie pas de pousser une solution matérielle particulière, mais être en mesure de comparer différentes plates-formes sera vraiment utile pour stimuler notre propre programme de développement ainsi que l'écosystème au sens large", déclare Kashefi.

Un tel benchmarking permettra également de comprendre où les solutions quantiques offrent un véritable avantage par rapport aux architectures informatiques classiques. "L'informatique quantique est une technologie étonnante et révolutionnaire, mais en fin de compte, ce n'est qu'un autre outil de calcul", poursuit Kashefi. "Une analyse comparative appropriée nous permettra de comprendre quelles tâches sont les mieux adaptées à un ordinateur classique et lesquelles peuvent être améliorées par une solution quantique."

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• La source: https://physicsworld.com/a/collaboration-provides-catalyst-for-quantum-acceleration/