AWS adopte une vision à court et à long terme de l’informatique quantique

AWS adopte une vision à court et à long terme de l'informatique quantique


Il n’est peut-être pas surprenant que les grands fournisseurs de cloud – un terme vraiment médiocre – se soient lancés dans l’informatique quantique. Amazon, Microsoft Azure, Google et leurs semblables se sont progressivement transformés en développeurs de technologies majeurs, sans aucun doute au service de leurs vastes offres de services cloud. Il en est de même à l’international. Vous ne savez peut-être pas, par exemple, que les géants chinois du cloud – Baidu, Alibaba et Tencent – ont également tous d’importantes initiatives de développement quantique.

La foule mondiale du cloud a tendance à ne laisser aucune pierre technologique non retournée et le quantique n’était pas différent. Maintenant, les gros joueurs sont all-in. Chez Amazon, l’attention du public s’est concentrée sur Braket, son offre de services quantiques gérés qui fournit des outils d’apprentissage et d’accès à une variété d’ordinateurs quantiques. Moins connus sont le Quantum Solutions Lab d’Amazon, le Center for Quantum Computing et le Center for Quantum Networking, le dernier qui vient d’être lancé en juin. Ces quatre initiatives capturent la portée des vastes ambitions quantiques d’AWS, qui incluent la construction d’un ordinateur quantique tolérant aux pannes.

Simone Severini, AWS Quantum

HPCwire a récemment parlé avec Simone Severini, directeur, informatique quantique, AWS, de ses efforts. Physicien quantique de formation, Severini travaille chez AWS depuis environ quatre ans. Il rend compte au chef de l’ingénierie générale d’AWS, Bill Vass. Notant qu’il n’y a «pas beaucoup de preuves» que les systèmes de l’ère NISQ fourniront bientôt une valeur commerciale décisive, Severini a souligné que l’informatique quantique est un pari à long terme. Il est maintenant temps d’observer, d’apprendre et de tester les premiers systèmes.

« Amazon Braket offre une énorme opportunité pour le faire. Les clients peuvent garder un œil sur la dynamique de l’évolution de cette technologie. Nous pensons qu’il n’y a vraiment pas de voie unique vers l’informatique quantique. C’est très, très tôt, hein. C’est un point sur lequel j’aime insister », a déclaré Severini. “Je viens du milieu universitaire et j’ai été exposé à l’informatique quantique, d’une manière ou d’une autre, pendant plus de deux décennies. C’est incroyable de voir l’intérêt pour l’espace. Mais nous devons également être prêts à définir les bonnes attentes. C’est définitivement très, très tôt encore dans l’informatique quantique.

Lancé en 2019, AWS décrit Braket comme un “service d’informatique quantique entièrement géré conçu pour aider à accélérer la recherche scientifique et le développement de logiciels pour l’informatique quantique”. Ce n’est pas sans rappeler ce que la plupart des grands fabricants d’ordinateurs quantiques, tels que D-Wave, IBM et Rigetti, proposent également.

Le principe est de fournir tous les outils quantiques et l’infrastructure matérielle nécessaires aux explorateurs quantiques nouveaux et plus expérimentés à utiliser sur une base de paiement à l’utilisation. En effet, à l’ère du NISQ, beaucoup pensent que ces offres de portail sont le seul moyen réaliste de fournir l’informatique quantique. Les fournisseurs de cloud (et d’autres fournisseurs de services de type “conciergerie” tels que Strangeworks, par exemple) ont l’avantage de pouvoir fournir un accès à plusieurs systèmes différents.

Avec Braket, a déclaré Severini, « les utilisateurs n’ont pas à signer de contrats. Allez-y, et vous avez tout ce dont vous avez besoin pour voir ce qui se passe [in quantum computing], programmer ou simuler, et utiliser directement des ordinateurs quantiques. Nous avons plusieurs appareils avec différents [qubit] technologies sur le service. L’espoir est que d’un côté, les clients puissent en effet garder un œil sur la technologie de l’autre côté, les chercheurs peuvent mener des expériences et, espérons-le, contribuer à la connaissance tout en contribuant à la science.

Braket offre actuellement un accès à des ordinateurs quantiques basés sur des recuits supraconducteurs, à ions piégés, photoniques et quantiques. Vraisemblablement, d’autres technologies de qubit, des atomes froids par exemple, seront ajoutées au fil du temps.

Fait intéressant, Braket est également un outil d’apprentissage pour AWS. « C’est également un exercice important pour nous, car de cette façon, nous pouvons imaginer comment les ordinateurs quantiques alimenteraient un jour une infrastructure complexe basée sur le cloud. Aujourd’hui, les charges de travail sur Braket sont toutes expérimentales, mais pour nous, il est important d’apprendre des choses comme la sécurité ou la convivialité de l’opérateur, et la gestion des ressources que nous faisons pour les clients », a déclaré Severini. “C’est assez intéressant, car avec le temps, un ordinateur quantique pourrait être utilisé avec de nombreuses autres ressources classiques, y compris le HPC.”

Sur ce dernier point, on croit de plus en plus qu’une grande partie de l’informatique quantique pourrait en effet devenir un effort hybride avec certaines applications mieux exécutées sur des ordinateurs quantiques et d’autres parties mieux exécutées sur des ressources classiques. Nous verrons. Alors qu’il est encore tôt pour la poursuite de l’informatique hybride classique-quantique, AWS a lancé Amazon Braket Hybrid à la fin de l’année. Voici un extrait de la description d’AWS :

“Amazon Braket Hybrid Jobs vous permet d’exécuter facilement des algorithmes hybrides quantiques classiques tels que le Variational Quantum Eigensolver (VQE) et l’algorithme Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA), qui combinent des ressources de calcul classiques avec des dispositifs informatiques quantiques pour optimiser les performances de l’informatique quantique d’aujourd’hui. systèmes. Avec cette nouvelle fonctionnalité, il vous suffit de fournir votre script d’algorithme et de choisir un appareil cible – une unité de traitement quantique (QPU) ou un simulateur de circuit quantique. Amazon Braket Hybrid Jobs est conçu pour faire tourner les ressources classiques demandées lorsque votre appareil quantique cible est disponible, exécuter votre algorithme et libérer les instances une fois terminées afin que vous ne payiez que ce que vous utilisez. Braket Hybrid Jobs peut fournir des informations en direct sur les métriques de l’algorithme pour surveiller votre algorithme au fur et à mesure de sa progression, vous permettant d’effectuer des ajustements plus rapidement. Plus important encore, vos travaux ont un accès prioritaire au QPU sélectionné pendant toute la durée de votre expérience, ce qui vous donne le contrôle et vous aide à fournir une exécution plus rapide et plus prévisible.

« Pour exécuter une tâche avec Braket Hybrid Jobs, vous devez d’abord définir votre algorithme à l’aide du SDK Amazon Braket ou de PennyLane. Vous pouvez également utiliser TensorFlow et PyTorch ou créer une image de conteneur Docker personnalisée. Ensuite, vous créez une tâche via l’API ou la console Amazon Braket, où vous fournissez votre script d’algorithme (ou conteneur personnalisé), sélectionnez votre appareil quantique cible et choisissez parmi une variété de paramètres facultatifs, y compris le choix de ressources classiques, hyper-paramètre les valeurs et les emplacements des données. Si votre appareil cible est un simulateur, Braket Hybrid Jobs est conçu pour commencer à s’exécuter immédiatement. Si votre appareil cible est un QPU, votre travail s’exécutera lorsque l’appareil sera disponible et votre travail sera le premier dans la file d’attente. Vous pouvez définir des métriques personnalisées dans le cadre de votre algorithme, qui peuvent être automatiquement signalées à Amazon CloudWatch et affichées en temps réel dans la console Amazon Braket. Une fois terminé, Braket Hybrid Jobs écrit vos résultats sur Amazon S3 et libère vos ressources.

La deuxième initiative, Amazon Quantum Solution Lab, vise les programmes de recherche collaborative ; il s’agit essentiellement du groupe de services quantiques professionnels d’Amazon.

« Ils s’engagent dans des projets de recherche avec les clients. Par exemple, ils ont récemment écrit un article avec une équipe de chercheurs de Goldman Sachs. Ils dirigent une initiative très intéressante avec BMW Group, quelque chose appelé le défi d’informatique quantique de BMW Group. BMW a proposé quatre domaines liés à ses intérêts, comme la logistique, la fabrication, certains éléments liés à l’ingénierie automobile, et il y a eu un appel à propositions pour des solutions de crowdsourcing qui utilisent des ordinateurs quantiques pour résoudre ces problèmes », a déclaré Severini.

« Il y avait 70 équipes, dans le monde, qui ont soumis des solutions. Je pense que c’est très intéressant parce que [it’s still early days] et le fait est que les ordinateurs quantiques ne sont pas utiles dans les problèmes commerciaux d’aujourd’hui. Ils ne peuvent pas [yet] avoir plus d’impact que l’informatique classique aujourd’hui. Une initiative de ce type peut vraiment aider à faire le pont entre le monde réel et la théorie. Nous avons plusieurs initiatives de ce type », a-t-il déclaré.

Construire un ordinateur tolérant aux pannes

Les efforts d’Amazon pour construire un quantum tolérant aux pannes sont basés au AWS Center for Quantum Computing, situé à Pasadena, en Californie, et exécutés en collaboration avec Caltech. “Nous avons lancé cette initiative en 2019 mais l’année dernière, en 2021, nous avons ouvert un bâtiment que nous avons construit à l’intérieur du campus de Caltech”, a déclaré Severini. « Il s’agit d’un centre de recherche à la pointe de la technologie et nous menons des recherches pour construire un ordinateur corrigé des erreurs et tolérant aux pannes », a-t-il déclaré.

Nouveau centre AWS pour l’informatique quantique à Caltech

AWS a opté pour la technologie qubit supraconductrice basée sur les semi-conducteurs, citant la connaissance approfondie de l’industrie des techniques de fabrication et de l’évolutivité des semi-conducteurs. Le défi, bien sûr, est d’atteindre la tolérance aux pannes. Les systèmes NISQ d’aujourd’hui sont bruyants et sujets aux erreurs et nécessitent des températures proches de zéro Kelvin. Severini a dit simplement : « Il y a encore beaucoup de défis scientifiques et il y a beaucoup d’ingénierie à faire.

“Nous croyons fermement qu’il y a deux choses qui doivent être faites à ce stade. L’un consiste à améliorer les taux d’erreur au niveau physique et à investir dans la science des matériaux pour vraiment comprendre à un niveau fondamental comment construire des composants qui présentent une amélioration en ce qui concerne les taux d’erreur. Le deuxième point est [to develop] de nouvelles architectures qubit pour protéger les qubits contre les erreurs », a-t-il déclaré.

« Cette installation comprend tout [to do] ce. Nous faisons la pile complète. Nous construisons tout nous-mêmes, du logiciel à l’architecture en passant par les qubits et le câblage. Ce sont des investissements à long terme », a déclaré Severini.

AWS a été relativement discret dans la promotion de son effort de construction d’ordinateurs quantiques. Il a vigoureusement adopté les technologies qubit concurrentes sur Braket, et Severini a noté qu’il n’est toujours pas clair comment les progrès se dérouleront. Certaines approches peuvent bien fonctionner pour une application particulière mais pas pour d’autres. AWS les suit tous et inclut d’éminents chercheurs quantiques. Par exemple, John Preskill, le chercheur de Caltech qui a inventé le terme NISQ, est un Amazon Scholar. (Preskill, bien sûr, est à juste titre le professeur Richard P. Feynman de physique théorique au California Institute of Technology.)

En février dernier, AWS a publié un article dans PRX Quantum (Building a fault-tolerant quantum computer using concatened cat codes) qui décrit la pensée directionnelle. Le résumé est extrait ci-dessous :

“Nous présentons une analyse architecturale complète d’un ordinateur quantique tolérant aux pannes proposé basé sur des codes de chat concaténés avec des codes de correction d’erreurs quantiques externes. Pour le matériel physique, nous proposons un système de résonateurs acoustiques couplés à des circuits supraconducteurs avec une disposition bidimensionnelle. En utilisant des paramètres physiques estimés pour le matériel, nous effectuons une analyse détaillée des erreurs des mesures et des portes, y compris les portes cnot et Toffoli. Après avoir construit un modèle de bruit réaliste, nous simulons numériquement la correction d’erreur quantique lorsque le code externe est soit un code à répétition, soit un code à surface rectangulaire mince.

« Notre prochaine étape vers le calcul quantique universel tolérant aux pannes est un protocole de préparation de l’état magique de Toffoli tolérant aux pannes qui améliore considérablement la fidélité des portes physiques de Toffoli à un coût qubit très faible. Pour atteindre des frais généraux encore plus bas, nous concevons un nouveau protocole de distillation d’état magique pour les états de Toffoli. En combinant ces résultats, nous obtenons des estimations réalistes de toutes les ressources des taux d’erreur physiques et des frais généraux nécessaires pour exécuter des algorithmes quantiques utiles tolérants aux pannes. Nous constatons qu’avec environ 1000 composants de circuits supraconducteurs, on pourrait construire un ordinateur quantique tolérant aux pannes qui peut exécuter des circuits, qui sont actuellement insolubles pour les ordinateurs classiques. Un matériel avec 18 000 composants de circuits supraconducteurs, à son tour, pourrait simuler le modèle de Hubbard dans un régime hors de portée de l’informatique classique.

La dernière grande pièce du puzzle quantique d’Amazon est le AWS Center for Quantum Networking, situé à Boston. AWS indique que des nouvelles importantes concernant le nouveau centre seront bientôt disponibles. Le centre de réseautage quantique, a déclaré Severini, se concentre sur le matériel, les logiciels, les applications commerciales et scientifiques. Cela semble beaucoup et correspond peut-être aux ambitieux programmes quantiques d’Amazon dans l’ensemble.

La preuve de tous ces efforts, comme dit le proverbe, sera dans le pudding.

Restez à l’écoute.

Image caractéristique : un boîtier micro-ondes contient le processeur quantique AWS. L’emballage est conçu pour protéger les qubits du bruit ambiant tout en permettant la communication avec les systèmes de contrôle de l’ordinateur quantique. Source : AWS

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