Dan Kilper du Trinity College Dublin et Saikat Guha de l’Université d’Arizona discutent du nuage quantique et de la façon dont il pourrait être réalisé.
L’informatique quantique a reçu beaucoup d’attention ces dernières années alors que plusieurs fournisseurs à l’échelle du Web se précipitent vers ce que l’on appelle l’avantage quantique – le point auquel un ordinateur quantique est capable de dépasser les capacités de calcul de l’informatique classique.
D’importants investissements du secteur public dans le monde ont alimenté l’activité de recherche au sein de la communauté universitaire. La première revendication d’avantage quantique est apparue en 2019 lorsque Google, la NASA et Oak Ridge National Lab (ORNL) ont démontré un calcul que l’ordinateur quantique a effectué en 200 secondes et que le supercalculateur ORNL a vérifié jusqu’au point d’avantage quantique, estimé à exiger 10 000 ans à compléter jusqu’à la fin.
Les feuilles de route qui poussent les ordinateurs quantiques encore plus loin dans ce régime avancent régulièrement. IBM a rendu les ordinateurs quantiques accessibles en ligne depuis de nombreuses années et récemment, Amazon et Microsoft ont lancé des services cloud pour fournir aux utilisateurs un accès à plusieurs plates-formes d’informatique quantique différentes. Alors, qu’est-ce qui vient ensuite?
L’étape au-delà de l’accès à un seul ordinateur quantique est l’accès à un réseau d’ordinateurs quantiques. Nous commençons à voir cela émerger du Web ou des ordinateurs quantiques basés sur le cloud proposés par les fournisseurs de cloud – en fait l’informatique quantique en tant que service, parfois appelée informatique quantique basée sur le cloud.
Il s’agit d’ordinateurs quantiques connectés par des réseaux classiques et échangeant des informations classiques sous forme de bits ou de uns et de zéros numériques. Lorsque les ordinateurs quantiques sont connectés de cette manière, ils peuvent chacun effectuer des calculs quantiques distincts et renvoyer les résultats classiques que l’utilisateur recherche.
Le cloud computing quantique
Il s’avère qu’avec les ordinateurs quantiques, il existe d’autres possibilités. Les ordinateurs quantiques effectuent des opérations sur des bits quantiques ou des qubits. Il est possible pour deux ordinateurs quantiques d’échanger des informations sous forme de qubits au lieu de bits classiques. Nous appelons réseaux quantiques les réseaux qui transportent des qubits. Si nous pouvons connecter deux ordinateurs quantiques ou plus sur un réseau quantique, ils pourront alors combiner leurs calculs de manière à pouvoir se comporter comme un seul ordinateur quantique plus grand.
L’informatique quantique distribuée sur des réseaux quantiques a donc le potentiel d’améliorer considérablement la puissance de calcul des ordinateurs quantiques. En fait, si nous avions des réseaux quantiques aujourd’hui, beaucoup pensent que nous pourrions immédiatement construire de grands ordinateurs quantiques loin dans le régime des avantages simplement en connectant de nombreuses instances des ordinateurs quantiques d’aujourd’hui sur un réseau quantique. Avec des réseaux quantiques construits et interconnectés à différentes échelles, nous pourrions construire un Internet quantique et au cœur de cet Internet quantique, on s’attendrait à trouver des nuages informatiques quantiques.
À l’heure actuelle, les scientifiques et les ingénieurs tentent toujours de comprendre comment construire un tel nuage d’informatique quantique. La clé de la puissance de calcul quantique est le nombre de qubits dans l’ordinateur. Ce sont généralement des micro-circuits ou des ions maintenus à des températures cryogéniques, proches de -273 degrés Celsius.
Bien que la taille de ces machines ait augmenté régulièrement, on s’attend à ce qu’elles finissent par atteindre une limite de taille pratique et, par conséquent, une puissance de calcul supplémentaire est susceptible de provenir des connexions réseau entre les ordinateurs quantiques au sein du centre de données, tout comme les données informatiques classiques actuelles. centres. Au lieu de racks de serveurs, on s’attendrait à des rangées de cryostats.
Une fois que nous commençons à imaginer un Internet quantique, nous réalisons rapidement qu’il existe de nombreuses structures logicielles que nous utilisons dans l’Internet classique et qui pourraient nécessiter un type d’analogue dans l’Internet quantique.
En commençant par les ordinateurs, nous aurons besoin de systèmes d’exploitation quantiques et de langages informatiques. Ceci est compliqué par le fait que les ordinateurs quantiques sont encore de taille limitée et ne sont pas conçus pour exécuter des systèmes d’exploitation et programmer comme nous le faisons dans les ordinateurs classiques. Néanmoins, sur la base de notre compréhension du fonctionnement d’un ordinateur quantique, les chercheurs ont développé des systèmes d’exploitation et des langages de programmation qui pourraient être utilisés une fois qu’un ordinateur quantique suffisamment puissant et fonctionnel est capable de les exécuter.
Le cloud computing et la mise en réseau reposent sur d’autres technologies logicielles telles que les hyperviseurs, qui gèrent la façon dont un ordinateur est divisé en plusieurs machines virtuelles, et des protocoles de routage pour envoyer des données sur le réseau. En fait, des recherches sont en cours pour développer chacun d’entre eux pour l’internet quantique. Les systèmes d’exploitation des ordinateurs quantiques étant encore en cours de développement, il est difficile de développer un hyperviseur pour exécuter plusieurs systèmes d’exploitation sur le même ordinateur quantique comme le ferait un hyperviseur classique.
En comprenant l’architecture physique des ordinateurs quantiques, cependant, on peut commencer à imaginer comment elle pourrait être organisée pour prendre en charge différents sous-ensembles de qubits afin de fonctionner efficacement en tant qu’ordinateurs quantiques distincts, utilisant potentiellement différentes technologies de qubit physiques et employant différentes sous-architectures, dans un seule machine.
Une différence importante entre les ordinateurs et les réseaux quantiques et classiques est que les ordinateurs quantiques peuvent utiliser les ordinateurs classiques pour exécuter bon nombre de leurs fonctions. En fait, un ordinateur quantique en lui-même est un exploit formidable de l’ingénierie système classique avec de nombreux contrôles complexes pour configurer et faire fonctionner les calculs quantiques. C’est un point de départ très différent des ordinateurs classiques.
La même chose peut être dite pour les réseaux quantiques, qui disposent de l’Internet classique pour fournir des fonctions de contrôle pour gérer les opérations du réseau. Il est probable que nous nous appuierons sur des ordinateurs et des réseaux classiques pour exploiter leurs analogues quantiques pendant un certain temps. Tout comme une carte mère d’ordinateur possède de nombreux autres types d’électronique autre que la puce de microprocesseur, il est probable que les ordinateurs quantiques continueront de s’appuyer sur des processeurs classiques pour effectuer une grande partie du travail banal derrière leur fonctionnement. Avec l’avènement de l’Internet quantique, on peut présumer qu’un plan de contrôle équipé de la signalisation quantique pourrait être en mesure de prendre en charge certaines fonctions de réseau quantique encore plus efficacement.
Tolérance aux pannes et réseaux quantiques
Lorsqu’ils parlent d’ordinateurs et de réseaux quantiques, les scientifiques font souvent référence à des opérations « tolérantes aux pannes ». La tolérance aux pannes est une étape particulièrement importante vers la réalisation du cloud computing quantique. Sans tolérance aux pannes, les opérations quantiques sont essentiellement des calculs ponctuels qui sont initialisés puis exécutés jusqu’à un point d’arrêt limité par l’accumulation d’erreurs dues à l’expiration des durées de vie de la mémoire quantique ainsi qu’au bruit qui pénètre dans le système à chaque étape du processus. calcul.
La tolérance aux pannes permettrait aux opérations quantiques de se poursuivre indéfiniment avec chaque résultat d’un calcul alimentant le suivant. Ceci est essentiel, par exemple, pour exécuter un système d’exploitation informatique.
Dans le cas des réseaux, les pertes et le bruit limitent la distance que les qubits peuvent transporter de l’ordre de 100 km aujourd’hui. La tolérance aux pannes grâce à des opérations telles que la correction d’erreur quantique permettrait aux réseaux quantiques de s’étendre dans le monde entier. C’est assez difficile pour les réseaux quantiques car, contrairement aux réseaux classiques, les signaux quantiques ne peuvent pas être amplifiés. Nous utilisons des amplificateurs partout dans les réseaux classiques pour amplifier des signaux qui sont réduits en raison des pertes, par exemple, dues à la descente d’une fibre optique. Si nous augmentions un signal qubit avec un amplificateur optique, nous détruirions ses propriétés quantiques. Au lieu de cela, nous devons construire des répéteurs quantiques pour surmonter les pertes de signal et le bruit.
Si nous pouvons connecter deux ordinateurs quantiques tolérants aux pannes à une distance inférieure aux limites de perte pour les qubits, alors les capacités de correction d’erreur quantique dans les ordinateurs peuvent en principe récupérer le signal quantique. Si nous construisons une chaîne de tels ordinateurs quantiques transmettant chacun des informations quantiques au suivant, nous pouvons alors obtenir le réseau quantique tolérant aux pannes dont nous avons besoin. Cette chaîne d’ordinateurs reliés entre eux rappelle le début de l’Internet classique, lorsque les ordinateurs étaient utilisés pour acheminer les paquets à travers le réseau. Aujourd’hui, nous utilisons plutôt des routeurs de paquets.
Si vous regardez sous le capot d’un routeur de paquets, il est composé de nombreux microprocesseurs puissants qui ont remplacé les routeurs informatiques et sont beaucoup plus efficaces pour les tâches de routage spécifiques impliquées. Ainsi, on pourrait imaginer un analogue quantique au routeur de paquets, qui serait un petit ordinateur quantique spécialement conçu pour récupérer et transmettre des qubits à travers le réseau. C’est ce que nous appelons aujourd’hui des répéteurs quantiques et avec ces répéteurs quantiques, nous pourrions construire un Internet quantique mondial.
Actuellement, de nombreux travaux sont en cours pour réaliser un répéteur quantique tolérant aux pannes. Récemment, une équipe du NSF Center for Quantum Networks (CQN) a franchi une étape importante dans la mesure où elle a pu utiliser une mémoire quantique pour transmettre un qubit au-delà de sa limite de perte habituelle. C’est un élément constitutif d’un répéteur quantique. Le SFI Connect Center en Irlande travaille également sur des systèmes de contrôle de réseau classiques qui peuvent être utilisés pour exploiter un réseau de ces répéteurs.
Ensemble, nous visons à réaliser les réseaux qui constitueront l’Internet quantique.
Par Dan Kilper et Saikat Guha
Dan Kilper est professeur de futurs réseaux de communication au Trinity College de Dublin et directeur du centre de recherche Connect SFI.
Saikat Guha est directeur du NSF-ERC Center for Quantum Networks et professeur de sciences optiques, de génie électrique et informatique et de mathématiques appliquées à l’Université de l’Arizona.
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