Les ordinateurs quantiques ne sont plus une promesse de laboratoire. Leur développement a engagé une transition décisive : de la physique vers l’ingénierie de systèmes. Dans ce nouveau régime, la question n’est plus seulement « Qui produira les meilleurs qubits ? » , mais « Sur quelle pile logicielle les développeurs construiront-ils leurs applications, et qui la contrôlera ? » Depuis 2019, Inria a structuré une stratégie résolument positionnée sur les couches logicielles et algorithmiques du calcul quantique, en cohérence avec la stratégie nationale et dans le cadre d’une réponse européenne coordonnée. Cet article en décrit la genèse, les réalisations et les perspectives.
Les ordinateurs quantiques ne sont plus une promesse de laboratoire. Leur développement a engagé une transition décisive : de la physique vers l’ingénierie de systèmes. Dans ce nouveau régime, la question n’est plus seulement « Qui produira les meilleurs qubits ? » , mais « Sur quelle pile logicielle les développeurs construiront-ils leurs applications, et qui la contrôlera ? » Depuis 2019, Inria a structuré une stratégie résolument positionnée sur les couches logicielles et algorithmiques du calcul quantique, en cohérence avec la stratégie nationale et dans le cadre d’une réponse européenne coordonnée. Cet article en décrit la genèse, les réalisations et les perspectives.
La recherche en informatique quantique a pris de l’ampleur dans les deux dernières décennies, notamment grâce aux financements massifs des gouvernements et de l’industrie dans les technologies quantiques. L’ordinateur quantique promet de résoudre des problèmes qui jusqu’à présent restaient insurmontables à cause du temps déraisonnable qu’il faudrait pour les résoudre sur les ordinateurs classiques les plus puissants. L’idée de l’ordinateur quantique consiste à utiliser des propriétés quantiques de la matière, telles que l’intrication et la superposition quantique des états, pour effectuer des calculs d’une nouvelle manière. L’informatique quantique requiert un nouveau type d’ordinateur où les bits d’information classique, généralement représentés par la présence ou non de courant à l’entrée d’un transistor, sont remplacés par des bits quantiques aussi appelés qubits, et qui sont représentés par l’état d’un système quantique. De plus, il est nécessaire de développer de nouveaux algorithmes capables d’être implémentés sur un ordinateur quantique et capables de tirer parti de l’avantage quantique. Cette thèse porte sur ces deux composantes complémentaires : la construction de portes logiques, un bloc fondamental de tout ordinateur, et la création de meilleurs algorithmes pour résoudre des problèmes pertinents sur ces machines. Parmi les plateformes les plus avancées pour l’ordinateur quantique, on trouve les circuits supraconducteurs, qui sont la plateforme sur laquelle ont misé Google, IBM, Alice&Bob, Nord Quantique et bien d’autres compagnies. Malgré les avancées des dernières décennies, de nombreux défis restent à être relevés pour que les machines existantes soient en mesure de résoudre des problèmes pertinents et surpassent les ordinateurs classiques. L’un des défis auquel cette thèse s’attaque est la réalisation de portes logiques à deux qubits rapides et à haute fidélité. La rapidité est cruciale pour pouvoir réaliser le plus d’opérations possible avant que les qubits ne perdent leur cohérence quantique, et une haute fidélité est requise pour minimiser les erreurs de calcul et permettre d’implémenter de la correction d’erreurs quantiques. De plus, certains qubits supraconducteurs sont connus pour être affectés par une interaction indésirable, l’interaction ZZ qui, même si relativement faible, affecte la fidélité des portes logiques quantiques, empêchant d’atteindre des fidélités supérieures à 99.9% nécessaires à la correction d’erreurs. En parallèle avec l’amélioration des composantes de l’ordinateur quantique, il est important de développer des applications pour ce nouveau type de machine. Parmi les approches étudiées, les algorithmes quantiques variationnels (VQA) sont ceux qui sont les plus susceptibles d’être déployés sur les ordinateurs quantiques de petites tailles existants. Ce sont des algorithmes hybrides qui nécessitent à la fois de la puissance de calcul classique et quantique. Ces algorithmes semblent prometteurs pour résoudre de nombreux problèmes concrets d’intérêt industriel, comme obtenir les propriétés de molécules ou trouver les solutions de problèmes d’optimisation combinatoire. En effet, ces problèmes peuvent être formulés sous forme d’un Hamiltonien et résolus en déterminant son état fondamental. Dans ce but, les VQAs utilisent un circuit quantique paramétré appelé ansatz, dont les paramètres sont optimisés pour s’approcher de l’état fondamental. Un premier défi consiste à trouver un ansatz qui permette, pour un problème donné, de converger le plus efficacement possible vers la solution. Un deuxième défi est de trouver un circuit fait de portes logiques facilement implémentables sur les plateformes physiques actuelles. Les travaux effectués dans cette thèse apportent des contributions à ces deux défis. Dans la première partie de la thèse, nous introduisons le dispositif que nous avons conçu et qui permet de réaliser des portes d’intrication paramétrique entre deux qubits supraconducteurs. Cette approche a permis à nos collaborateurs du groupe d’Andrew Houck de l’Université de Princeton de réaliser expérimentalement une opération de type √iSWAP en 15 ns avec une fidélité de 98.8%, et ce dans un dispositif où l’interaction ZZ est supprimée. Dans la seconde partie de la thèse, nous avons développé un ansatz pour les VQAs permettant de résoudre le modèle de Fermi Hubbard. Ce nouvel ansatz utilise les avantages de deux ansätze préexistants, et permet d’obtenir l’énergie et l’état fondamental du FHM avec une précision de plusieurs ordres de grandeur supérieure aux ansätze standards, et ce en réduisant significativement le nombre de portes d’intrication CNOT qui sont généralement imparfaites et longues à implémenter.
Un ordinateur est un objet physique effectuant des opérations logiques, il a donc nécessairement besoin d’un substrat physique pour faire ces opérations. Aussi, si la théorie qui sous-tend l’informatique doit beaucoup aux mathématiciens (Turing pour n’en citer qu’un), c’est la physique qui a rendu la réalisation concrète des ordinateurs possible, qu’ils soient réalisés avec des relais électromécaniques, des tubes électroniques ou des transistors. Et cela ne s’arrête pas là : par exemple, d’une part la miniaturisation de ces derniers dans les processeurs fait que les phénomènes quantiques doivent être pris en compte (les électrons risquent de passer d’un fil à un autre par effet tunnel), d’autre part l’accroissement de la vitesse d’horloge rend concrète la barrière qu’est la vitesse de la lumière. Si les ordinateurs ne sont possibles qu’avec une théorie physique suffisamment évoluée, il y a une rétroaction qui se crée, car la physique a beaucoup bénéficié du développement des ordinateurs. Ceux-ci rendent en effet possibles des calculs – d’abord numériques, mais également symboliques – qu’il serait difficile de faire « à la main », pour des questions de temps et « d’erreurs humaines ». Cette possibilité a ouvert la voie à des simulations dans pratiquement toutes les branches de la physique, et ces simulations ont à leur tour pratique- ment créé de nouvelles branches, telle la théorie du chaos. En 1982, Richard Feynman déplorait cependant que les simulations informatiques de processus quantiques ne fussent pas efficaces, et suggérait qu’elles pourraient être bien plus rapides si l’ordinateur était lui-même « quantique » [2]. Dans ce document, nous allons d’abord revenir (chapitre 1) sur ce point et expliquer ce que pourrait faire différemment un ordinateur « quantique ». Nous décrirons ensuite (chapitre 2) les bases théoriques du calcul quantique tel que pourrait le pratiquer un ordinateur de ce type. Nous verrons finalement (chapitre 3) avec l’exemple de l’algorithme de Shor et de la Tranformation de Fourier Quantique qu’au-delà des simulations de processus quantiques, un ordinateur quantique pourrait accélérer dramatiquement d’autres opérations. Nous conclurons sur quelques approches possibles pour la réalisation d’un ordinateur quantique et sur l’existence d’autres applications de la mécanique quantique liées à l’informatique et à la communication qui ne nécessitent pas forcément un tel ordinateur, ainsi que sur des aspects plus philosophiques du calcul quantique.
Cette étude s'est réalisée dans le domaine du calcul quantique (QC), lié en particulier à son intégration dans le calcul haute performance (HPC). Le calcul quantique promet, en exploitant le comportement de systèmes physiques quantiques, des gains en temps de calcul et/ou en qualité des résultats pour un certain nombre de problèmes. Nous nous sommes intéressés particulièrement à l'intégration des piles logicielles HPC et QC, qui englobent tous les outils et programmes qui permettent le développement et l'exécution d'un code : compilateur, bibliothèques, système d'exploitation, etc. Cependant, l'intégration de ces piles logicielles HPC et QC n'est aujourd'hui que peu étudiée et son impact sur les performances des applications n'est pas systématiquement évalué. Ce manque d'évaluation systématique est dû à la fois à la grande différence entre les piles logicielles HPC et QC ainsi qu'à la nouveauté des systèmes hybrides HPC-QC. Tout cela peut engendrer des difficultés lors de l'implémentation, du déploiement et de l'exécution d'applications combinant calcul quantique et calcul haute performance. Aujourd'hui, les caractéristiques des systèmes et piles logicielles HPC et QC sont évaluées séparément, le côté HPC est notamment étudié depuis plusieurs décennies. Cela signifie que ces évaluations ne concernent pas les nouvelles piles logicielles spécifiques aux systèmes hybrides HPC-QC. Par ailleurs, les piles logicielles HPC et QC comportent de nombreuses étapes liées à des problèmes d'optimisation combinatoire et il existe plusieurs algorithmes quantiques qui visent à résoudre ce type de problèmes. Cependant l'intégration de ce type d'algorithme quantique dans les piles logicielles HPC et QC n'est encore que peu étudiée. Tout cela justifie notre étude consistant à évaluer comment l'intégration des piles logicielles HPC-QC présentes et futures pourrait impacter l'exécution des applications. Pour cela, nous avons tout d'abord développé et validé une suite modulaire de benchmarks permettant d'évaluer l'influence des piles logicielles sur la vitesse d'exécution de codes HPC-QC. Cette suite de benchmarks, que nous avons appelée HPCQCMark, vise à fournir un outil ouvert et simple d'utilisation qui permet de rapidement tester plusieurs combinaisons de piles et d'applications HPC-QC. Nous avons ainsi évalué l'impact sur l'exécution de micro-applications de divers aspects des piles logicielles déployées sur les systèmes HPC-QC installés au CEA et au Riken. Cela nous a permis de mettre en avant à la fois des bugs dans les piles testées et plusieurs liens entre certaines caractéristiques des piles et le temps d'exécution des codes. Ayant mis en avant l'existence de ces liens, nous avons voulu déterminer s'il serait possible d'améliorer l'exécution de codes HPC en intégrant du calcul quantique dans une pile logicielle. Pour cela, nous avons conçu des algorithmes hybrides classique-quantique pour l'allocation de registres CPU, une étape importante de la compilation qui est au cœur de la pile logicielle HPC. Ces approches hybrides reposent sur l'utilisation d'algorithmes quantiques variationnels afin de réaliser une partie de l'allocation, qui est représentée sous la forme d'un problème d'optimisation combinatoire. Finalement, nous avons implémenté ces algorithmes hybrides et les avons intégrés dans des compilateurs HPC existants et utilisés par un grand nombre de développeurs. Nous avons ensuite pu évaluer leur capacité à effectivement améliorer la qualité des codes HPC compilés. Cela nous a permis de mettre en avant des situations dans lesquelles le code compilé en utilisant notre méthode hybride avait effectivement un meilleur temps d'exécution qu'en utilisant une méthode classique.
La réalisation d’un ordinateur quantique est l’un des objectifs scientifiques les plus ambitieux et prometteurs de ce début de siècle.La force du calcul quantique réside dans sa capacité à se placer dans une superposition d’états et à utiliser les interférences entre eux pour dépasser la limite intrinsèque des ordinateurs classiques, qui est la description discrète des phénomènes physiques pourtant continus. Cela leur permettrait théoriquement de simplifier et de résoudre des problèmes insolubles pour les ordinateurs classiques.La première étape dans la réalisation d’un ordinateur quantique est sa brique de base : le bit-quantique, ou qubit. Il s’agit de l’analogue quantique du bit classique, qui permet de stocker l’information sous la forme de 0 ou de 1. Dans le cas quantique, l’information est formée par la superposition de ces deux états, en un nombre infini de possibilités. Si cette étape a été réalisée à de nombreuses reprises par la communauté, en utilisant des qubits de différentes natures, le couplage entre plusieurs d’entre eux reste difficile et limité en nombre. En effet, le système quantique ainsi formé a tendance à perdre sa cohérence ; ou dit autrement, à se détruire.Parmi les nombreuses possibilités de qubit existant, j’utilise le spin nucléaire. Ils ont l’avantage d’être relativement bien découplés de leur environnement, ce qui permet de les protéger des sources extérieures de décohérence et ainsi d’avoir un temps de vie supérieur aux spins électroniques.Cet avantage a un prix : il est plus difficile d’accéder à leur lecture.Pour ce faire, j’ai fabriqué un transistor moléculaire afin de connecter une molécule unique à deux centres magnétiques, le Tb2Pc3, aux électrodes de source et drain. L’aimant monomoléculaire utilisé possède deux centres magnétiques (les ions Tb3+) dont les spins électroniques J=6 sont couplés entre eux via une interaction dipolaire. De plus, chacun d’entre eux est couplé à son spin nucléaire I=3/2 via l’interaction hyperfine. On a ainsi un couple de deux qudits (d=4), ce qui porte la dimension de l’espace de Hilbert à 16, et ce à l’intérieur d’une unique molécule.Dans un premier temps, j’ai élaboré le diagramme Zeeman de la molécule, qui est sa réponse énergétique à un champ magnétique extérieur. Je détaille ensuite la fabrication des échantillons, et notamment l’utilisation de la technique d’électromigration. Je présente ensuite les mesures en transport électrique, aux très basses températures (milliKelvins) et sous champ magnétique, qui permettent de détecter le retournement du couple de spins électroniques, dont la position est dépendante de l’état du couple de spins nucléaires : c’est ainsi qu’est réalisée la lecture des états du couple de qudits.Une étude de la dynamique du système est alors réalisée par des mesures de corrélations entre la position des retournements des spins électroniques entre deux balayages consécutifs. On obtient ainsi, à la fois une meilleure visualisation des états du système, mais aussi de sa relaxation entre deux balayages en champ magnétique.Enfin, j’ai pu extraire sa température effective à l’aide d’une distribution de Maxwell-Boltzmann. De l’ordre de 300 mT, elle est cohérente avec la littérature, ainsi qu’avec celles extraites sur deux autres transistors moléculaires obtenus à d’autres moments de ma thèse.En résumé, cette thèse montre pour la première fois l’utilisation d’un transistor à molécule unique pour accéder à lecture d’un couple de qudits. Le grand nombre de molécules existantes, et le grand nombre de qubits ou qudits qui pourrait y être couplé, fait de la spintronique moléculaire une voie très prometteuse vers de possibles futurs ordinateurs quantiques moléculaires.La prochaine étape sera d’opérer la manipulation cohérente d’un tel système, notamment via l’utilisation de l’effet Stark, comme cela a déjà été réalisé à l’aide d’une molécule ne comportant qu’un centre magnétique.
L’ordinateur quantique est une technologie en plein développement qui promet des applications qui sont actuellement irréalisables. Certains calculs qui sont très difficiles à résoudre pour un ordinateur classique pourraient en effet être réalisés relativement facilement sur la nouvelle architecture d’un ordinateur quantique. Les domaines qui pourraient être touchés incluent la pharmaceutique, le développement de nouveaux matériaux, la finance, la cryptographie (sécurité des données), etc. [1] Par contre, aucun calcul utile, donc qui n’aurait pas pu être fait en utilisant un ordinateur conventionnel, n’a été réalisé à ce jour. Plusieurs facteurs en jeu expliquent cette situation, en particulier la sensibilité de l’élément de base de l’ordinateur quantique, le qubit (quantum bit). Celui-ci est extrêmement sensible aux perturbations, et une bonne partie des efforts pour le développement de l’informatique quantique vont dans le sens d’améliorer les performances des qubits. Les difficultés liées aux qubits sont nombreuses. Celles explorées dans le projet de maîtrise sont la fabrication des dispositifs, le bruit thermique et la très faible puissance d’opération. Pour ce qui est de la fabrication, ce mémoire présente le travail qui a été fait sur la conception, la simulation, la fabrication et la mesure des circuits quantiques dans le but d’opérer des qubits de type transmons. Le processus de fabrication mis en place a donné des résultats encourageants même si les échantillons fabriqués n’étaient pas dans le régime voulu. De plus, la mise en place d’un laboratoire opérant des qubits requiert aussi l’implémentation de plusieurs techniques importantes pour mitiger les difficultés rencontrées pour l’opération de qubits. Celles qui ont été explorées pendant le projet de maîtrise sont le bruit thermique et la très faible puissance d’opération. Pour atténuer le bruit thermique dans les lignes micro-ondes, un nouveau type de filtre passe-bas basé sur le concept du HERD [2], le HERD 2, a été conçu, simulé et mesuré. Ce filtre, utilisant des guides d’onde d’Eccosorb pour filtrer le bruit aux hautes fréquences, est prometteur comme remplacement des technologies habituelles de protection contre le bruit thermique. Pour la difficulté de la très faible puissance, des amplificateurs paramétriques DJJAA ont été mesurés et opérés pour l’amplification à très faible bruit ajouté.
Optimisation et évaluation des piles logicielles intégrées HPC-Quantiques Cette étude s'est réalisée dans le domaine du calcul quantique (QC), lié en particulier à son intégration dans le calcul haute performance (HPC). Le calcul quantique promet, en exploitant le comportement de systèmes physiques quantiques, des gains en temps de calcul et/ou en qualité des résultats pour un certain nombre de problèmes. Nous nous sommes intéressés particulièrement à l'intégration des piles logicielles HPC et QC, qui englobent tous les outils et programmes qui permettent le développement et l'exécution d'un code : compilateur, bibliothèques, système d'exploitation, etc. Cependant, l'intégration de ces piles logicielles HPC et QC n'est aujourd'hui que peu étudiée et son impact sur les performances des applications n'est pas systématiquement évalué. Ce manque d'évaluation systématique est dû à la fois à la grande différence entre les piles logicielles HPC et QC ainsi qu'à la nouveauté des systèmes hybrides HPC-QC. Tout cela peut engendrer des difficultés lors de l'implémentation, du déploiement et de l'exécution d'applications combinant calcul quantique et calcul haute performance. Aujourd'hui, les caractéristiques des systèmes et piles logicielles HPC et QC sont évaluées séparément, le côté HPC est notamment étudié depuis plusieurs décennies. Cela signifie que ces évaluations ne concernent pas les nouvelles piles logicielles spécifiques aux systèmes hybrides HPC-QC. Par ailleurs, les piles logicielles HPC et QC comportent de nombreuses étapes liées à des problèmes d'optimisation combinatoire et il existe plusieurs algorithmes quantiques qui visent à résoudre ce type de problèmes. Cependant l'intégration de ce type d'algorithme quantique dans les piles logicielles HPC et QC n'est encore que peu étudiée. Tout cela justifie notre étude consistant à évaluer comment l'intégration des piles logicielles HPC-QC présentes et futures pourrait impacter l'exécution des applications. Pour cela, nous avons tout d'abord développé et validé une suite modulaire de benchmarks permettant d'évaluer l'influence des piles logicielles sur la vitesse d'exécution de codes HPC-QC. Cette suite de benchmarks, que nous avons appelée HPCQCMark, vise à fournir un outil ouvert et simple d'utilisation qui permet de rapidement tester plusieurs combinaisons de piles et d'applications HPC-QC. Nous avons ainsi évalué l'impact sur l'exécution de micro-applications de divers aspects des piles logicielles déployées sur les systèmes HPC-QC installés au CEA et au Riken. Cela nous a permis de mettre en avant à la fois des bugs dans les piles testées et plusieurs liens entre certaines caractéristiques des piles et le temps d'exécution des codes. Ayant mis en avant l'existence de ces liens, nous avons voulu déterminer s'il serait possible d'améliorer l'exécution de codes HPC en intégrant du calcul quantique dans une pile logicielle. Pour cela, nous avons conçu des algorithmes hybrides classique-quantique pour l'allocation de registres CPU, une étape importante de la compilation qui est au cœur de la pile logicielle HPC. Ces approches hybrides reposent sur l'utilisation d'algorithmes quantiques variationnels afin de réaliser une partie de l'allocation, qui est représentée sous la forme d'un problème d'optimisation combinatoire. Finalement, nous avons implémenté ces algorithmes hybrides et les avons intégrés dans des compilateurs HPC existants et utilisés par un grand nombre de développeurs. Nous avons ensuite pu évaluer leur capacité à effectivement améliorer la qualité des codes HPC compilés. Cela nous a permis de mettre en avant des situations dans lesquelles le code compilé en utilisant notre méthode hybride avait effectivement un meilleur temps d'exécution qu'en utilisant une méthode classique.