Mécanisme de multiprogrammation quantique (mode automatique). Crédit : Équipe QIQB Cloud, Université d’OsakaDes chercheurs japonais ont mis au point un mode de programmation quantique automatique, une fonction qui exécute automatiquement en parallèle des programmes quantiques de différents utilisateurs. Déployé sur le service de calcul quantique en nuage du Centre d’information quantique et de biologie quantique (QIQB) de l’Université d’Osaka, ce système réduit les ressources qubits inutilisées, améliore le débit et pourrait contribuer à atténuer la congestion du calcul quantique en nuage.
Les ordinateurs quantiques devraient devenir de puissantes plateformes informatiques de nouvelle génération, mais l’accès au matériel quantique physique reste limité. Les puces quantiques nécessitant des installations spécialisées et un contrôle rigoureux pour fonctionner de manière stable, de nombreuses universités, instituts de recherche et entreprises proposent désormais un accès à ces technologies via des services cloud.
L’accès au cloud pose toutefois un nouveau problème : l’attente. Les ordinateurs quantiques intermédiaires actuels, sujets au bruit, disposent d’un nombre limité de qubits, et le fonctionnement classique du cloud permet souvent à une seule tâche d’occuper une puce quantique entière. De ce fait, de nombreux qubits peuvent rester inutilisés, même lorsque d’autres utilisateurs attendent l’exécution de leurs programmes.
Un groupe de recherche dirigé par QIQB à l’Université d’Osaka, en collaboration avec Systems Engineering Consultants Co., LTD. (SEC) et l’Université Juntendo, a maintenant développé et lancé la multiprogrammation quantique (mode automatique), une fonction qui exécute automatiquement en parallèle des programmes quantiques de différents utilisateurs sur le service cloud d’ordinateur quantique de QIQB.
Exemple de résultat d’allocation de puce quantique. Crédit : Équipe QIQB Cloud, Université d’Osaka
Mieux exploiter les qubits
Le service de calcul quantique en nuage de l’Université d’Osaka exploite une puce quantique de 64 qubits. Cependant, de nombreux programmes de recherche n’utilisent qu’une dizaine de qubits. Avec l’approche classique « une tâche occupe toute la puce », une grande partie de celle-ci reste inutilisée.
Le nouveau mode automatique contribue à résoudre ce problème en sélectionnant les tâches appropriées dans la file d’attente du cloud, en les assignant aux qubits disponibles et en les exécutant simultanément. Il représente une amélioration par rapport à la programmation quantique multiple (mode manuel) précédemment disponible, qui n’autorisait l’exécution parallèle que pour plusieurs programmes spécifiés manuellement par un même utilisateur.
« La réduction des temps d’attente de calcul est l’un des principaux défis à relever pour une informatique quantique pratique », déclare MORI Toshio, chercheur spécialement nommé (à temps plein) à l’Université d’Osaka.
« Avec l’augmentation constante du nombre de qubits dans les ordinateurs quantiques, nous prévoyons une hausse de la demande pour le mode automatique de multiprogrammation quantique. Cette fonction peut également être utilisée sur des systèmes n’ayant pas encore adopté OQTOPUS, en intégrant OQTOPUS comme intergiciel. Nous espérons accélérer son déploiement sur d’autres systèmes à l’avenir. »
Comment fonctionne le système
Cette nouvelle fonction ne se contente pas de remplir l’espace vide sur une puce. Elle utilise l’optimisation mathématique pour déterminer comment placer efficacement plusieurs circuits quantiques.
Le système représente d’abord les circuits quantiques et la puce quantique sous forme de graphes composés de sommets et d’arêtes. Il résout ensuite un problème d’isomorphisme de sous-graphes , en intégrant plusieurs graphes de circuits dans le graphe de la puce comme les pièces d’un puzzle. Grâce à un solveur de programmation linéaire en nombres entiers, le système détermine les placements rapidement et précisément, même pour des circuits quantiques complexes.
Deuxièmement, le système tient automatiquement compte des contraintes matérielles, telles que l’orientation des connexions entre qubits et la connectivité limitée entre qubits distants. Les circuits sont transformés, ou transpilés, avant d’être combinés, ce qui permet aux utilisateurs d’exécuter leurs programmes sans avoir à gérer eux-mêmes ces contraintes physiques.
Troisièmement, le système est conçu dans un souci d’équité. Il examine un nombre fixe de tâches en tête de file et recherche les combinaisons pouvant être exécutées en parallèle. Cela permet de prioriser les tâches en attente depuis plus longtemps tout en améliorant l’efficacité globale.
Amélioration du débit des tests
Pour tester le système, l’équipe a utilisé un ensemble de données reflétant le comportement réel des utilisateurs. Lors d’une évaluation, cinq utilisateurs ont soumis 110 tâches pour des circuits à deux qubits sur une puce à 11 qubits, simulant une situation où les circuits quantiques à petite échelle sont fréquemment utilisés en recherche. Le système a amélioré le débit, c’est-à-dire la quantité de calculs traités par unité de temps, d’un facteur 3,76.
« Maximiser l’utilisation des ressources qubits est un enjeu majeur pour l’avenir des ordinateurs quantiques », déclare Uchida Ryo, responsable technique chez SEC. « Le mode automatique de multiprogrammation quantique réduit les temps d’attente et améliore l’efficacité des ressources grâce à l’exécution parallèle des programmes quantiques et à l’allocation optimisée des qubits. Nous poursuivrons nos efforts de recherche et développement pour faire progresser l’informatique quantique. »
Les résultats suggèrent que la programmation quantique multiple automatique peut contribuer à réduire la congestion des services cloud d’informatique quantique. En exécutant simultanément davantage de circuits quantiques, le système réduit les ressources qubits inutilisées et améliore l’efficacité opérationnelle de l’infrastructure de calcul quantique, une ressource précieuse.
« Ces travaux démontrent que les méthodes d’optimisation classiques peuvent contribuer au fonctionnement des ordinateurs quantiques », déclare Nakada Hidemoto, professeur à l’université Juntendo. « Nous continuerons d’explorer des contributions similaires. »
Prochaines étapes du déploiement
Cette fonction a été implémentée dans OQTOPUS , une pile logicielle de base open source pour ordinateurs quantiques, et sera fournie séquentiellement aux organisations participant au Quantum Software Consortium qui utilisent le service de cloud computing quantique de l’Université d’Osaka.
QIQB, SEC et l’Université Juntendo continueront de faire progresser la recherche et le développement de logiciels système afin d’améliorer la convivialité et les performances des ordinateurs quantiques et de contribuer à l’application pratique des technologies quantiques.
