L’informatique quantique fait face aux fantômes de son passé, de son présent et de son futur

L’informatique quantique pourrait être une technologie perturbatrice. Il est fondé sur une physique aux consonances exotiques et il porte la promesse de résoudre certaines classes de problèmes avec une rapidité et une efficacité sans précédent. Le problème, cependant, est qu’à ce jour, il y a eu trop de promesses et pas assez de résultats sur le terrain, disent certains. Peut-être à l’exception de D-Wave.

L’entreprise qui a lancé l’informatique quantique il y a plus de 15 ans compte aujourd’hui des clients tels que BASF, Deloitte, Mastercard et GlaxoSmithKline. Alan Baratz est passé de la direction de la R&D de D-Wave à son poste de PDG, introduisant l’entreprise en bourse tout en lançant des produits et en poursuivant de nouvelles directions de recherche.

Dans une interview exclusive, Baratz a parlé à VentureBeat des fondamentaux de l’informatique quantique et de leur lien avec l’état actuel du marché, les clients du monde réel et les cas d’utilisation, et ce que l’avenir réserve à cet espace.

Hypothèse et réalité de l’informatique quantique

Baratz a une expérience diversifiée qui comprend des périodes de gestion de produits chez Avia et Cisco, , ainsi qu’une expérience en investissement de capital-risque. Ce qu’il considère comme plus proche du travail qu’il fait aujourd’hui avec D-Wave, cependant, c’est d’être le premier président de Javasoft chez Sun Microsystems.

Chez Javasoft, Baratz était responsable de la mise sur le marché de la technologie Java, de la création de l’écosystème des développeurs et de la croissance des revenus. Comme il l’a noté, une grande partie de ce qu’il a fait là-bas est similaire à ce que D-Wave fait maintenant : créer une nouvelle industrie et construire un nouvel écosystème.

Bien sûr, il existe des différences fondamentales. Java a fonctionné dès le premier jour, mais pas parfaitement, et a été construit sur une infrastructure existante. À partir de là, la technologie a grandi, mûri et conquis le monde du développement logiciel. Enfin et surtout, il n’y a pas de fracture technologique fondamentale en Java et, même s’il y a eu un certain battage médiatique et une controverse autour de lui à un moment donné, c’est depuis longtemps une technologie éprouvée.

L’informatique quantique, en revanche, est un concept radicalement nouveau qui a nécessité des années de R&D pour se développer et ne s’adresse pas aux développeurs de logiciels. Il existe une fracture technologique fondamentale dans l’informatique quantique, qui, selon Baratz, est la source à la fois de la place dominante de D-Wave sur le marché et du battage médiatique.

Et oui, il y a beaucoup de battage autour de l’informatique quantique. Selon McKinsey, l’état actuel de l’informatique quantique se situe entre hype et révolution. Selon le directeur général de la recherche de Bank of America, Haim Israel, l’informatique quantique sera « plus grande que le feu ». Selon un expert en informatique quantique, Sankar Das Sarma, les startups quantiques font fureur, mais on ne sait pas si elles seront capables de produire quoi que ce soit d’utile dans un avenir proche.

La propre position de Baratz semble se situer quelque part entre les deux, traçant une ligne entre les applications d’informatique quantique d’aujourd’hui et de demain, ainsi qu’entre D-Wave et la concurrence.

« Alors que tout le monde dans l’industrie quantique parle des subventions de recherche gouvernementales comme des revenus et des laboratoires nationaux et des institutions universitaires comme des clients, nous parlons d’entreprises comme Mastercard, PayPal, GlaxoSmithKline, Johnson and Johnson, Volkswagen, BASF, Deloitte, SavantX et le port de L.A. », a déclaré Baratz.

Histoire et principes fondamentaux de l’informatique quantique

La ligne de démarcation entre D-Wave et la concurrence dessinée par Baratz coïncide avec la ligne entre les deux différentes manières de construire des ordinateurs quantiques : recuit quantique et modèles de porte. Comme Baratz l’a expliqué, lorsque D-Wave s’est lancé dans la tâche de construire un ordinateur quantique il y a plus de 15 ans, on pensait qu’un système de modèle de porte pourrait résoudre tous les problèmes. Le recuit quantique, quant à lui, était connu pour ne pouvoir résoudre que certaines classes de problèmes.

Il existe quatre catégories de problèmes que les ordinateurs quantiques peuvent résoudre : l’optimisation, l’algèbre linéaire, la factorisation et les équations différentielles. Baratz a fourni des exemples d’applications pour chacun : l’apprentissage automatique pour l’algèbre linéaire, la cryptographie pour la factorisation et la dynamique des fluides computationnelle et la chimie quantique pour les équations différentielles.

L’optimisation a un large éventail d’applications en physique, biologie, l’ingénierie, l’économie et les affaires. Comme l’a noté Baratz, les ordinateurs quantiques recuits sont très bons pour les problèmes d’optimisation. Ils peuvent également résoudre des problèmes d’algèbre linéaire et de factorisation, mais ils ne peuvent pas résoudre des problèmes d’équations différentielles.

À l’époque où D-Wave a entrepris de construire son ordinateur quantique, la science et l’ingénierie n’avaient pas encore progressé au point où l’on croyait pouvoir construire un système de modèle de porte, a expliqué Baratz. Cependant, a-t-il ajouté, il était largement admis que l’on pouvait construire un ordinateur quantique à recuit. Alors D-Wave a décidé d’aller de l’avant et de construire un système de recuit parce que c’était quelque chose qu’ils pensaient pouvoir faire.

« Tous les autres ont conclu qu’ils pourraient aussi bien construire un système de modèle de porte parce qu’ils pensaient qu’ils le pourraient [éventuellement] et qu’il pourrait résoudre tous les problèmes, alors que le recuit, c’était connu, ne pouvait résoudre qu’un sous-ensemble des problèmes. Alors, tout le monde a sauté dans la porte. Voici ce qui s’est passé : il y a un an, tout le monde a été surpris, nous inclus , car c’est à ce moment-là qu’il a été prouvé que les systèmes de modèle de porte ne peuvent pas vraiment accélérer les problèmes d’optimisation », a noté Baratz.

Les systèmes de modèle de porte sont très bons pour les problèmes d’équations différentielles. Ils peuvent également attaquer l’algèbre linéaire et la factorisation, mais ils ne peuvent pas résoudre les problèmes d’optimisation, a déclaré Baratz. En un mot, le recuit ne peut pas résoudre les équations différentielles, tandis que la porte ne peut pas résoudre l’optimisation. Comme l’optimisation a de nombreuses applications potentielles, il s’avère que c’est assez important.

D-Wave a adopté ce qui ressemblait à une approche plus conservatrice à l’origine et a été justifiée rétrospectivement. Baratz a qualifié cela de « coup de chance de l’histoire qui a très bien fonctionné pour nous ». À l’heure actuelle, D-Wave a l’avantage du premier arrivé en matière de recuit. Cela signifie qu’ils n’ont pas seulement une expertise et une technologie que d’autres n’ont pas, ils ont également un certain nombre de brevets. Tout cela se traduit par une douve efficace pour l’entreprise.

Le problème de l’informatique quantique

Il y a un an, D-Wave concluait que ses ordinateurs quantiques à recuit avaient atteint le statut commercial. Cela signifie qu’ils étaient capables de résoudre de vrais problèmes commerciaux à l’échelle commerciale et « beaucoup, sinon la plupart, des problèmes technologiques sous-jacents difficiles avaient été résolus », selon Baratz. Comme l’entreprise disposait d’une certaine bande passante, elle a décidé de lancer un programme de modèle de porte qui lui permettrait de pouvoir éventuellement s’adresser à l’ensemble du marché du quantique.

Par conséquent, D-Wave a également une expérience directe des problèmes auxquels sont confrontés les efforts basés sur le modèle de porte. Le plus grave concerne les erreurs. En informatique conventionnelle, les bits sont utilisés pour les calculs et pour stocker des informations. L’équivalent en informatique quantique est les qubits, et on parle beaucoup du nombre de qubits que chaque système peut gérer. Le problème, cependant, est que plus dans ce cas ne signifie pas nécessairement mieux.

Les qubits sont beaucoup plus sophistiqués que les bits, mais il existe également de nombreuses autres manières d’introduire des erreurs. Cela se produit généralement en interagissant avec l’environnement, par exemple via des interférences électromagnétiques. Comme l’a noté Baratz, aucun système, quantique ou autre, n’est exempt d’erreurs. Dans les ordinateurs classiques, nous ne pensons généralement pas aux erreurs car il existe des algorithmes de correction d’erreurs qui s’en occupent. Les ordinateurs quantiques n’en sont pas encore là.

Encore une fois, cependant, il existe des différences entre les systèmes de modèle de recuit et de porte, selon Baratz. Les systèmes de modèle de porte sont très sensibles aux erreurs, et cela a à voir avec la façon dont le calcul est effectué. Faire un calcul sur un système de modèle de porte signifie appliquer des instructions à des qubits, comme appliquer des instructions à des bits dans des ordinateurs classiques. Dès qu’une erreur est introduite, si elle n’est pas corrigée, le calcul s’effondre.

« Puisque ces erreurs se produisent si fréquemment ; sans correction d’erreur, vous ne pouvez pas passer plus de 20 ou 30 instructions sans l’introduction d’une erreur et le calcul s’effondre. Mais pour de nombreux algorithmes de modèle de porte, vous avez besoin de dizaines de milliers, de centaines de milliers ou de millions d’instructions de porte. Donc, vous ne pouvez pas faire grand-chose avec un système de modèle de porte sans correction d’erreur », a déclaré Baratz.

Baratz considère la correction d’erreurs, et non le nombre de qubits ou la topologie, comme la clé pour permettre des qubits qui peuvent avoir une haute fidélité grâce à de longs calculs et donc faire des progrès dans le développement de systèmes de modèle de porte. Son estimation est que nous sommes à au moins sept à 10 ans d’atteindre ce point aujourd’hui. Les systèmes basés sur le recuit sont beaucoup plus stables, a-t-il déclaré, bien qu’une augmentation du nombre de qubits et de meilleures topologies de connexion qubit leur permettraient de résoudre des problèmes plus complexes que ce qu’ils peuvent résoudre aujourd’hui.

Résoudre des problèmes du monde réel

Baratz a qualifié l’optimisation complète du routage FedEx de la dorsale au dernier kilomètre de problème qui ne peut pas être résolu aujourd’hui, car cela nécessiterait des dizaines de millions de variables. D-Wave n’est pas encore là; cependant, un certain nombre de problèmes importants du monde réel peuvent déjà être résolus. Dans le même temps, des progrès sont réalisés en termes de nouveaux ordinateurs avec plus de qubits, une meilleure connectivité et des taux d’erreur plus faibles.

Baratz a également évoqué certains des problèmes qui sont résolus aujourd’hui, tels que l’attribution de l’offre client pour Mastercard, la planification des tâches pour BASF et la logistique de la chaîne d’approvisionnement avec SavantX et le port de L.A. Dans ce dernier cas d’utilisation, une amélioration de 60 % dans les performances des grues chargeant et déchargeant les conteneurs et une réduction de 12 % du temps nécessaire aux véhicules pour ramasser les marchandises a été obtenue.

Selon la description de Baratz, la philosophie consistant à utiliser des systèmes quantiques basés sur des modèles de porte semble plus proche de la programmation d’ordinateurs classiques. Cependant, l’utilisation de systèmes quantiques basés sur le recuit est très différente. Il n’y a pas de programmation au sens conventionnel. Les tâches sont modélisées comme des problèmes d’optimisation, ce qui signifie que les utilisateurs doivent déclarer de manière déclarative comment leurs problèmes sont définis, quels sont les paramètres et leur interdépendance.

Comme l’a noté Baratz, ce n’est pas quelque chose que les ingénieurs logiciels sont censés faire, mais plutôt quelque chose qui est abordé par des personnes comme les data scientists et les analystes de données. Les problèmes d’optimisation sont souvent spécifiés comme ce qu’on appelle un problème de programmation linéaire ou un problème de programmation quadratique. C’est le langage qu’utilisent les ingénieurs en optimisation, a déclaré Baratz, et D-Wave leur permet de prendre cette spécification et de la transmettre directement aux solveurs hybrides.

Un solveur hybride utilise à la fois des ordinateurs quantiques et classiques pour résoudre des problèmes. D-Wave a un solveur hybride dans son offre, qui a récemment obtenu une mise à niveau. Comme Baratz l’a décrit, le solveur hybride prend les définitions de problèmes en entrée et peut déterminer quelles parties du problème peuvent être traitées par l’ordinateur quantique. Il achemine ensuite ces parties du problème vers l’ordinateur quantique.

Offre, traction et feuille de route de D-Wave

D-Wave propose un service cloud appelé Leap grâce auquel les utilisateurs peuvent accéder à ses capacités : ordinateurs quantiques, solveurs hybrides et outils de développement logiciel. D-Wave propose également des services professionnels pour aider les clients dans des domaines tels que la formulation de problèmes ou la soumission de tâches, lorsque l’expertise n’est pas disponible en interne.

Compte tenu de l’état actuel de l’informatique quantique, nous nous sommes demandé si la clientèle de D-Wave était composée exclusivement des plus grandes entreprises mondiales. D-Wave est elle-même une société cotée en bourse cotée à la Bourse de New York. Comme Baratz l’a expliqué, en devenant publique, D-Wave a réussi à lever des fonds et à ouvrir une variété de nouvelles sources de financement.

Lors de l’appel pour discuter des récents résultats du troisième trimestre de D-Wave, que Baratz a qualifiés de solides à tous les niveaux, la société a annoncé qu’au cours des trois premiers trimestres de 2022, elle comptait plus de 100 clients. Parmi ceux-ci, 40 sont gouvernementaux et éducatifs et 60 commerciaux, dont plus de 20 sont Global 2000. D-Wave a environ 40 clients commerciaux qui ne sont pas Global 2000, a déclaré Baratz, comme une chaîne d’épicerie canadienne appelée Save on Foods.

L’offre principale de D-Wave est également disponible via AWS Marketplace. De plus, D-Wave propose une offre plus ciblée sur AWS Marketplace : la sélection de fonctionnalités pour le machine learning. La sélection des fonctionnalités est l’un des éléments les plus importants de l’apprentissage automatique. Lors de la formation d’un modèle d’apprentissage automatique, il y aura un certain nombre de caractéristiques ou de classificateurs qu’il peut être intéressant d’inclure. Mais les inclure tous entraînera un surajustement; c’est-à-dire générer un modèle qui n’est pas adapté à la tâche à accomplir.

C’est pourquoi une étape de prétraitement dans l’apprentissage automatique tente d’identifier un petit ensemble de caractéristiques représentatives, puis de créer un modèle sur cet ensemble. Trouver un petit ensemble de classificateurs forts à partir d’un grand ensemble de classificateurs faibles est un problème d’optimisation très difficile, et dans lequel le système de D-Wave fonctionne bien. Ceci est souvent utilisé dans la détection des fraudes, a déclaré Baratz. D’autres parties du pipeline du processus d’apprentissage automatique ne sont pas traitées par D-Wave à ce stade, car ni son ordinateur quantique ni aucun des systèmes de modèle de porte ne sont encore capables de battre les GPU, selon Baratz.

Dans l’ensemble, a conclu Baratz, l’écosystème quantique est défini par la différence entre les modèles de recuit et les modèles de porte. Le recuit est aujourd’hui commercial, alors qu’avec les modèles de grille, les choses sont encore au stade de la recherche et de l’expérimentation.

« Nous sommes la seule entreprise au monde à effectuer des recuits pour répondre à l’optimisation. Maintenant, nous faisons aussi de la porte. Ainsi, nous serons la seule entreprise au monde à pouvoir adresser l’ensemble du marché quantique », a déclaré Baratz.