L’affaire de la suprématie quantique autoproclamée par Google fin 2019 a relancé le débat sur comment mesurer et comparer les performances des ordinateurs quantiques. Des chercheurs viennent d’imaginer le premier benchmark quantique…

Source : Oak Ridge National Laboratory

Un jour, l’informatique quantique nous permettra, peut-être, de résoudre des problèmes jusqu’ici insolubles et des problèmes dont nous n’avons même pas connaissance. En attendant, elle progresse à petits pas avec différentes entreprises proposant différentes technologies dont on connaît encore mal les limites et le potentiel. Les chercheurs du Oak Ridge National Laboratory (ORNL) ont publié ces derniers jours un benchmark de simulation chimique quantique pour évaluer la performance de ces premières machines quantiques. Rappelons que l’ORNL est l’un des grands centres de recherche du surpuissant US Department of Energy, et le détenteur du SUMMIT le supercalculateur HPC le plus puissant du monde selon le classement TOP500.org.

‎« Actuellement, nous essayons de résoudre des problèmes scientifiques assez simples qui illustrent le genre de problèmes que nous pensons que ces systèmes nous aideront à résoudre à l’avenir », explique Raphael Pooser, chercheur principal du projet Quantum Testbed Pathfinder au sein du ORNL. « Ces repères nous donnent une idée de la performance des futurs systèmes quantiques lorsqu’ils s’attaqueront à des simulations similaires, bien qu’exponentiellement plus complexes. »‎

Le Benchmark consiste à calculer l’état d’énergie de molécules alcalines hybrides et permet, selon les chercheurs de l’ORNL, de tester de façon effective la performance d’ordinateurs quantiques et dès lors de les comparer.
C’est d’ailleurs ce que les chercheurs ont pu réaliser en lançant leur benchmark sur deux ordinateurs quantiques, le Tokyo 20qubit d’IBM et l’Aspen 16qubit de Rigetti. L’algorithme quantique utilisé n’exploite que 4 qubits et ne cherche pas tant, pour l’instant, à évaluer la vitesse des machines que leur précision.

Ils ont comparé les résultats à des simulations sur des ordinateurs classiques et pour l’instant les mesures obtenues avec les ordinateurs quantiques n’ont clairement pas la précision de celles obtenues avec les ordinateurs classiques.
Car toute la difficulté avec les ordinateurs quantiques est d’obtenir des résultats fiables. Les calculs doivent être répétés et moyennés pour obtenir des résultats significatifs. De par la conception et la sensibilité aux « bruits » (infimes variations de température, infimes vibrations, etc.) des processeurs quantiques, les erreurs systémiques sont fréquentes. Elles doivent dont être également évaluées.
‎« Ce nouveau benchmark caractérise très bien l’état mixte ou la façon dont l’environnement et la machine interagissent » estime M. Pooser. « Ce travail est une étape cruciale vers une référence universelle pour mesurer les performances des ordinateurs quantiques, tout comme la mesure LINPACK est utilisée pour juger les ordinateurs classiques les plus rapides au monde. »‎

Ce n’est pas la première fois que des chercheurs cherchent à réaliser des comparaisons directes entre ordinateurs quantiques. Une équipe dirigée par Margaret Martonosi, de l’université de Princeton, avait en juin 2019 publié des comparaisons directes autour de la précision des calculs quantiques entre les ordinateurs d’IBM, de Rigetti et de IonQ. Celle-ci avait montré que la machine 5 Qubits à ions piégés de IonQ donnait une réponse juste 90% du temps alors qu’une machine à 20 Qubits supraconducteurs d’IBM ne donnait une réponse exacte que 50% du temps. Une comparaison limitée puisque, aujourd’hui, par nature plus on utilise de qubits plus on est confronté à des problèmes de perturbation qui augmentent les taux d’erreurs. L’étude était davantage une confirmation par les tests qu’un benchmark plus largement utilisable.

Il sera intéressant de suivre les évolutions de ce benchmark au fil du temps et son appréciation auprès des différents constructeurs de machines quantiques tels que D-Wave, IonQ, Rigetti, IBM, QCI, Honeywell, Google et Microsoft. Même si, d’après notre compréhension de l’étude, le benchmark ne semble s’appliquer qu’aux ordinateurs quantiques dits « universels », à QPU (qu’ils soient à qubits supraconducteurs, à topologie ou à ions piégés).

Rappelons que les entreprises peuvent désormais accéder à ces ordinateurs au travers des services d’informatique quantique dans le cloud proposé par AWS (Amazon Braket), Azure (Azure Quantum), IBM Cloud (IBM Q Experience) et Rigetti (RQCS). Vous pouvez les découvrir dans notre article « Comment les entreprises peuvent expérimenter dès aujourd’hui l’informatique quantique grâce au cloud… »

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Sources : 
Quantum chemistry as a benchmark for near-term quantum computers
Full-Stack, Real-System Quantum Computer Studies: Architectural Comparisons and Design Insights

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