{"id":16227,"date":"2018-07-31T17:01:31","date_gmt":"2018-07-31T16:01:31","guid":{"rendered":"https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/?p=16227"},"modified":"2018-09-27T15:01:32","modified_gmt":"2018-09-27T14:01:32","slug":"comprendre-informatique-quantique-outils-de-developpement","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/2018\/comprendre-informatique-quantique-outils-de-developpement\/","title":{"rendered":"Comprendre l’informatique quantique – outils de d\u00e9veloppement"},"content":{"rendered":"

Apr\u00e8s avoir fait le tour de quelques algorithmes quantiques<\/a> de base puis des th\u00e9ories de la complexit\u00e9<\/a> qui permettent de d\u00e9tourer vaguement l\u2019univers du possible pour le calcul quantique, il nous faut maintenant explorer les outils logiciels de l\u2019informatique quantique. Comme pour tout le reste, c\u2019est un monde enti\u00e8rement nouveau et avec des paradigmes tr\u00e8s diff\u00e9rents par rapport \u00e0 la cr\u00e9ation de logiciels classiques. On peut cependant y retrouver ses petits.<\/p>\n

Qui dit algorithme dit programmation, langages de programmation et environnements de d\u00e9veloppement. Comme l\u2019indique le sch\u00e9ma ci-dessous (dont j\u2019ai perdu la source\u2026), les logiciels quantiques sont organis\u00e9s en couches superpos\u00e9es avec en partant du bas, les qubits, puis le langage machine permettant de les piloter, puis le \u201chigh level quantum source code\u201d qui est en fait une sorte de macro-assembleur, pouvant tirer parti de biblioth\u00e8ques de fonctions avec des algorithmes pr\u00eats \u00e0 l\u2019emploi (transform\u00e9e de Fourier quantique, etc.) et enfin, d\u2019\u00e9ventuels langages de haut niveau adapt\u00e9s \u00e0 des besoins m\u00e9tiers sp\u00e9cifiques.<\/p>\n

\"Stacks<\/a><\/p>\n

Dans les couches basses entre langage machine et le macro-assembleur se trouvent des fonctions de conversion des portes quantiques en portes quantiques universelles support\u00e9es par l\u2019ordinateur quantique ainsi que les syst\u00e8mes de codes de correction d\u2019erreur qui peuvent demander l\u2019ex\u00e9cution d\u2019un grand nombre de portes quantiques. Un compilateur quantique va aussi faire de l\u2019optimisation en supprimant par exemple les s\u00e9quences de portes quantiques qui ne changent pas l\u2019\u00e9tat d\u2019un qubit, comme deux portes unitaires de Hadamard ou X (NOT) cons\u00e9cutives.<\/p>\n

Les architectures logicielles du quantique sont g\u00e9n\u00e9ralement hybrides et permettent de contr\u00f4ler un ordinateur quantique \u00e0 partir de logiciels proc\u00e9duraux assez traditionnels. Ils g\u00e8rent c\u00f4te \u00e0 c\u00f4te l\u2019ex\u00e9cution de logiciels classiques et de logiciels quantiques et manipulant de la m\u00e9moire traditionnelle en plus de celle des qubits, comme illustr\u00e9 dans le sch\u00e9ma ci-dessous originaire de la startup Rigetti.<\/p>\n

\"Interacting<\/a><\/p>\n

L\u2019ordinateur classique sert au minimum \u00e0 contr\u00f4ler l\u2019ex\u00e9cution des algorithmes quantiques, ne serait-ce que pour d\u00e9clencher les portes quantiques au bon moment, de mani\u00e8re s\u00e9quentielle. Il peut aussi d\u00e9clencher plusieurs algorithmes quantiques les uns apr\u00e8s les autres. On peut imaginer qu\u2019une application fera appel \u00e0 plusieurs algorithmes quantiques et pas un seul.<\/p>\n

Les classes d\u2019outils de d\u00e9veloppement<\/strong><\/p>\n

On peut identifier quelques grandes classes d\u2019outils de cr\u00e9ation de logiciels quantiques : les outils de programmation graphiques, les langages de scripting, les langages interm\u00e9diaires, les langages machine et les compilateurs.<\/p>\n

Outils de programmation graphique<\/u><\/p>\n

Ils permettent de sp\u00e9cifier la s\u00e9quence des portes quantiques \u00e0 exploiter pour cr\u00e9er des algorithmes directement exploitables dans des ordinateurs quantiques du cloud ou des simulateurs HPC dans le cloud. Ces outils peuvent faire fonctionner et visualiser l\u2019\u00e9tat des qubits lorsque leur nombre est raisonnable. Ils permettent de v\u00e9rifier la faisabilit\u00e9 de l\u2019ex\u00e9cution de l\u2019algorithme. L\u2019un des exemples de tels outils est l\u2019IBM Q Experience<\/a> qui est propos\u00e9 dans le cloud depuis 2016 (ci-dessous<\/em>).<\/p>\n

\"IBM<\/a><\/p>\n

On y trouve aussi des simulateurs graphiques de qubits avec lesquels on peut se faire la main pour comprendre comment encha\u00eener les portes quantiques sur quelques qubits et visualiser le r\u00e9sultat visuellement. C\u2019est notamment le cas de QuantumPlayground<\/a> originaire de Google et de l\u2019outil open source Quirk<\/a>, ce dernier pouvant simuler jusqu\u2019\u00e0 16 qubits. Il fonctionne en ligne et on peut le t\u00e9l\u00e9charger pour l\u2019ex\u00e9cuter sur son propre ordinateur en local. Sa capacit\u00e9 n\u2019est limit\u00e9e que par la RAM dont vous disposez. Voici ci-dessous, un exemple<\/a> de transform\u00e9e de Fourier quantique r\u00e9alis\u00e9e en Quirk.<\/p>\n

\"Quirk<\/a><\/p>\n

Je ferai en sorte de tester quelques algorithmes de base avec Quirk pour l’\u00e9dition ebook de cette s\u00e9rie d’articles !<\/p>\n

Langages de scripting<\/u><\/p>\n

Ils permettent de programmer en mode texte la structure des portes quantiques d\u2019une solution. Ces outils permettent d\u2019associer de la programmation classique avec enchainement de fonctions quantiques conditionn\u00e9es par l\u2019\u00e9tat de variables en m\u00e9moire classique.<\/p>\n

On compte deux principaux types de langages quantiques : les langages imp\u00e9ratifs et les langages fonctionnels. Les langages imp\u00e9ratifs sont les langages de programmation proc\u00e9duraux (objets ou pas) o\u00f9 l\u2019on d\u00e9crit les algorithmes pas \u00e0 pas. On y range les langages habituels tels que C, C++, PHP ou Java.<\/p>\n

\"Quantum<\/a><\/p>\n

Les langages fonctionnels sont utilis\u00e9s en d\u00e9finissant des fonctions diverses qui sont appel\u00e9es de mani\u00e8re ad-hoc par le programme. Les boucles (For, While) sont remplac\u00e9es par la r\u00e9cursivit\u00e9 de fonctions et il n\u2019y a pas de variables modifiables. Ils permettent d\u2019utiliser des type de donn\u00e9es abstraits de haut niveau manipul\u00e9s par les fonctions. L\u2019ensemble est plus concis.<\/p>\n

Une bonne part des langages de programmation traditionnels peuvent \u00eatre exploit\u00e9s en programmation imp\u00e9rative ou fonctionnelle, notamment d\u00e8s lors qu\u2019ils disposent de pointeurs de fonctions ou qu\u2019ils supportent une logique \u00e9v\u00e9nementielle. Dans une certaine mesure, JavaScript et Jquery peuvent-\u00eatre utilis\u00e9s comme des langages fonctionnels via leurs call-back functions<\/em>. C\u2019est aussi le cas du C++.<\/p>\n

Chez les fournisseurs d\u2019ordinateurs quantiques tels qu\u2019IBM ou Rigetti, deux types de langages sont parfois propos\u00e9s : un langage interm\u00e9diaire (Quil chez Rigetti) et un langage de plus haut niveau sous la forme d\u2019extensions du langage de programmation Python (pyQuil chez Rigetti). Un outil de conversion converti le second dans le premier langage.<\/p>\n

Langages machine<\/u><\/p>\n

Ce sont les langages de plus bas niveau de programmation de l\u2019ordinateur quantique, qui programment l\u2019initialisation des qubits et l\u2019activation des portes universelles qui agissent dessus puis la mesure des r\u00e9sultats. Ils sont g\u00e9n\u00e9ralement sp\u00e9cifiques \u00e0 chaque type d\u2019ordinateur quantique, voir \u00e0 chaque ordinateur quantique.<\/p>\n

Compilateurs<\/u><\/p>\n

Les compilateurs exploitent le contenu des pr\u00e9c\u00e9dents outils, et surtout des langages de scripting, pour g\u00e9n\u00e9rer la s\u00e9quence de contr\u00f4le des portes physiques de l\u2019ordinateur quantique cible en langage machine, int\u00e9grant au passage les fonctions de corrections d\u2019erreurs quantiques (QEC). Ces compilateurs vont transformer les portes logiques utilis\u00e9es dans la programmation en portes physiques universelles exploit\u00e9es par l\u2019ordinateur quantique. Ils vont aussi calculer les temps d\u2019activation des portes et v\u00e9rifier que l\u2019accumulation de ces temps d\u2019activation est inf\u00e9rieure au temps de coh\u00e9rence des qubits de l\u2019ordinateur cible.<\/p>\n

Comme le aASM d\u2019Atos, ces outils de compilation peut \u00eatre \u201cmultiplateformes\u201d et supporter diff\u00e9rentes architectures d\u2019ordinateurs quantiques, au moins universels. La compilation n\u2019est pas la m\u00eame sur des ordinateurs quantiques topologiques. Ces compilateurs utilisent des langages de programmation quantiques. Les langages de programmation quantique sont g\u00e9n\u00e9ralement capables d\u2019associer de la programmation proc\u00e9durale classique avec de la programmation de registres et portes quantiques. Ils permettent de g\u00e9rer parall\u00e8lement de la m\u00e9moire classique \u00e0 des registres quantiques. Ils proviennent de la recherche ou de concepteurs d\u2019ordinateurs quantiques comme IBM, Microsoft, Rigetti et D-Wave.<\/p>\n

Voir cette pr\u00e9sentation qui d\u00e9crit bien quelques-unes des t\u00e2ches r\u00e9alis\u00e9es par des compilateurs quantiques : Opportunities and Challenges in Intermediate-Scale Quantum Computing<\/a> de Fred Chong, 2018 (34 slides).<\/p>\n

Langages de programmation quantiques issus de la recherche<\/strong><\/p>\n

Voici un aper\u00e7u des principaux langages quantiques cr\u00e9\u00e9s \u00e0 ce jour, avec tout d\u2019abord les langages ind\u00e9pendants des architectures mat\u00e9rielles et qui sont souvent issus de laboratoires de recherche.<\/p>\n

Ils pr\u00e9sentent l\u2019inconv\u00e9nient de ne pas \u00eatre g\u00e9n\u00e9ralement reli\u00e9s \u00e0 des offres d\u2019ordinateurs quantiques dans le cloud. Ils ont par contre souvent un certain privil\u00e8ge d\u2019ant\u00e9riorit\u00e9 par rapport aux outils de d\u00e9veloppement des fournisseurs d\u2019ordinateurs quantiques que nous verrons plus loin. C\u2019est bien normal puisque les chercheurs sont les premiers \u00e0 s\u2019embarquer dans les domaines \u00e9mergents, bien avant les acteurs priv\u00e9s. Ils ont souvent con\u00e7u les premiers langages de programmation quantique \u00e0 une \u00e9poque o\u00f9 l\u2019on n\u2019arrivait \u00e0 aligner qu\u2019\u00e0 peine un \u00e0 deux qubits !<\/p>\n

Ce sont un peu les Kernighan et Richie (cr\u00e9ateurs du langage C) et Bjarne Stroustrup (cr\u00e9ateur du C++) du domaine ! Vous remarquerez au passage qu\u2019un bon nombre de ces langages provient d\u2019Europe.<\/p>\n