Combiner, calculer, innover : le futur de l'informatique quantique alliée au calcul de haute performance
Les systèmes quantiques ouvrent la voie à la résolution de problèmes complexes, avec une accélération exponentielle, comparé aux méthodes classiques
Ayant atteint le premier niveau de maturité, les processeurs quantiques peuvent désormais être intégrés dans les centres de calcul haute performance. Ils ouvrent ainsi la voie à la résolution de problèmes complexes, avec une accélération exponentielle, comparé aux méthodes classiques. Mais ceci n’est possible qu’à condition d'y intégrer des techniques de correction d'erreurs quantiques.
Lever les obstacles pour accélérer le processus d'hybridation
L'hybridation du calcul haute performance et de l'informatique quantique est cruciale. Or, à ce jour, du fait de leurs limites matérielles et logicielles, l’intégration complète de processeurs quantiques (QPUs) dans les centres de calcul intensif n'en est qu'à ses débuts. Certaines de ces limites doivent être surmontées et une compatibilité doit être assurée avec les futurs composants quantiques. Sensibles, les processeurs quantiques nécessitent un étalonnage et une maintenance, rendant ces composants inaccessibles temporairement. Or, il se trouve que les centres de calcul intensif ne sont pas conçus pour intégrer des composants à faible disponibilité.
Autre précaution indispensable, en raison des vibrations, du magnétisme ou des contraintes liées au système de refroidissement, les dispositifs quantiques doivent être intégrés dans un environnement spécifique. Cela signifie qu'il faut éloigner ces composants des ressources classiques, augmentant ainsi la latence de communication entre les composants quantiques et classiques. En outre, les QPUs sont programmables via une interface d’implémentation bas niveau qui correspond à l'expérience physique. Ce qui par conséquent rend difficile l’implémentation d'algorithmes complexes tels que ceux utilisés dans le HPC. Enfin, les frameworks quantiques existants ne reposent pas sur des langages de programmation HPC ce qui rend l'interaction des kernels quantiques avec les routines HPC difficile et inefficace.
L’importance de systèmes FTQC
La prochaine génération de QPU devrait produire des résultats parfaits, grâce aux techniques de correction d'erreur (FTQC), essentielles pour atteindre la puissance de calcul souhaitée. La transition du NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) vers le FTQC est essentielle. Celle-ci se produira probablement plus tôt que prévu en raison de la rapidité des avancées technologiques. Le développement des QPU devrait se poursuivre, ce qui se traduira par des dispositifs plus robustes et compatibles avec le calcul intensif. Il est donc indispensable de s'attaquer aux limitations logicielles pour permettre l'hybridation HPC-quantique. Le fait d’éliminer ces limitations logicielles permettra d'intégrer des routines quantiques dans les applications HPC afin d'étudier l'impact réel des algorithmes hybrides.
Capacités d'informatique quantique : Révolutionner le monde du HPC
Il existe déjà une hybridation classique dans le monde du calcul intensif, les superordinateurs intégrant des composants tels que les GPU pour accélérer certains calculs. Ce type d'hybridation constitue également la base de l'hybridation quantique avancée. Dans un environnement hybride classique, les développeurs peuvent s'appuyer sur OpenMP, un framework de programmation parallèle, compatible avec les langages de programmation HPC, pour créer des applications hybrides CPU/GPU. Q-Pragma est un tout nouveau framework de programmation, inspiré d'OpenMP, et conçu pour devenir un standard ouvert. Il garantit ainsi la comptabilité du framework avec les QPUs existants, tout en permettant au framework d'évoluer avec l'algorithmie quantique. OpenMP et Q-Pragma s'appuient sur des directives pragma pour utiliser des fonctionnalités du processeur quantique non-disponibles dans le langage HPC d'origine. Cet outil puissant permet d'accélérer les applications HPC existantes en y intégrant des routines quantiques ou bien de faciliter le développement de nouveaux algorithmes hybrides en utilisant des outils plus adaptés. Avec Q-Pragma, les scientifiques et les développeurs peuvent désormais expérimenter le véritable impact de l'informatique quantique d'une manière pratique et accessible.
Sept critères clés pour une hybridation réussie
En se basant sur l'état de l'art de la programmation hybride classique, de la programmation quantique et des algorithmes quantiques existants, nous avons défini sept critères garantissant qu'un framework de programmation quantique est compatible avec les environnements HPC. Ces critères définissent l'hybridation HPC-Quantum, c'est-à-dire l'interaction fine et dynamique des routines classiques et quantiques au sein d'une application HPC. Les sept critères sont la localité du code et de la mémoire, l'interaction dynamique, la scalabilité, la réversibilité, la contrôlabilité, le décalcul sûr et le typage. Parmi tous les frameworks quantiques, le framework Q-Pragma est le seul à remplir tous les critères. Il constitue le premier véritable framework quantique pour le calcul à haute performance. Ses nouvelles directives C++ pragma permettent aux développeurs d'écrire des algorithmes complexes avec seulement quelques lignes de code, comme le montre l'exemple de l'algorithme de Shor.
Le framework Q-Pragma permet ainsi un calcul hétérogène en allouant de la mémoire et en programmant des tâches quantiques. Il est compatible avec les systèmes d'ordonnancement HPC, facilitant ainsi l'exécution d'applications hybrides dans le centre HPC. En outre, il est agnostique sur le plan matériel et peut être complété par des modules de correction d'erreur quantique pour cibler les futurs ordinateurs quantiques tolérants aux fautes.
Grâce au framework Q-Pragma, les centres HPC peuvent donc mettre en œuvre l'hybridation HPC-Quantum à plus grande échelle. Les applications HPC actuelles peuvent être améliorées pour exploiter l'accélération quantique et les centres HPC peuvent intégrer facilement des kernels quantiques dans des programmes C++ existants, réduisant drastiquement la charge de travail, comparé aux frameworks existants. Dans une démonstration d'innovation sans précédent, le framework Q-Pragma est utilisé dans l'initiative HQI, soutenue par France 2030 via l'Agence Nationale de la Recherche (référence projet : ANR-22-PNCQ-0002).