Article paru dans notre lettre d'informationdu 10 Novembre 2022

Quandela fait vos calculs à la vitesse de la lumière

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Il est des mots qui, aujourd’hui, semblent être les remèdes magiques à tous les problèmes de l’industrie : Intelligence Artificielle ; Informatique Quantique ; Metavers ; Cloud… Mais au-delà du marketing qu’en est-il réellement ? C’est la question que nous avons posé à Arno Ricou, ingénieur d’application quantique chez Quandela, start-up française née en 2017, qui vient d’être lauréate du French Tech DeepNum20, grâce à l’utilisation de la photonique pour créer des accélérateurs de calcul quantiques.

 

« Mon rôle, c’est d’être l’intermédiaire entre des industriels maitrisant parfaitement leur métier et nos ingénieurs de R&D, pour voir comment notre technologie quantique basée sur la photonique, pourrait les aider à disposer d’une informatique leur permettant de calculer plus vite, avec plus de précision, tout en consommant moins d’énergie, afin d’améliorer plus rapidement leurs produits », explique Arno Ricou, ingénieur d’application quantique chez Quandela.

Cette start-up a été créée en 2017 autour des recherches menées par Pascale Senellart, ingénieur de l’Ecole Polytechnique et Directrice de Recherche au Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (CNRS), Responsable de l'équipe, Optique Quantique à l'Etat Solide. Elle a développé avec son équipe, dont Niccolo Somaschi et Valérian Giesz, autres co-fondateurs de Quandela, une source de photons qui est parfaitement adaptée à la création d’un processeur quantique.

Mais tout d’abord qu’est-ce que l’informatique quantique ? De fait, la course à la miniaturisation des puces électroniques les fait entrer dans une zone où elles deviennent sensibles aux effets quantiques dus aux très petites échelles. Donc, plutôt que de subir ces effets (superposition d’états, interférences constructives ou destructive, intrication…) , les chercheurs ont essayé d’en tirer parti pour développer des puces quantiques, beaucoup plus performantes que les puces traditionnelles.

 

Quantique et photonique

« Autant l’informatique classique est basée sur la mécanique classique (équations de Maxwell…) pour régir le comportement des puces électroniques de nos ordinateurs, autant l’informatique quantique utilise les phénomènes de la mécanique quantique pour régir des puces spécifiques basées sur des atomes chargés (des ions), des supraconducteurs ou de la photonique, comme c’est le cas pour Quandela. De fait, le photon est utilisé comme unité élémentaire pour transporter de l'information, le qu-bit. Et cela a beaucoup d'avantages parce qu’un photon n’a ni charge, ni masse, donc interagit très peu avec son environnement. »

Ainsi le temps de cohérence des photons, temps durant lequel il va garder ses propriétés quantiques, est infini, contrairement aux ions ou aux supraconducteurs où ce temps de cohérence va de quelques minutes à quelques millisecondes, voire microsecondes. Autre avantage de la photonique, les lames de chaque baie de calcul développées par Quandela sont classiquement reliées par des réseaux en fibres optiques. Il n’y a donc pas besoin de convertir une information électrique en photons pour la faire voyager à travers ces liaisons, puis de la reconvertir en information électrique pour l’utiliser à nouveau.

Par rapport à de l'informatique traditionnelle, l’informatique quantique présente deux intérêts : à moyen terme l'avantage quantique, c’est-à-dire résoudre plus rapidement, plus précisément et à moindre consommation énergétique des calculs toujours plus complexes aux limites des possibilités des super-calculateurs actuels ; à long terme, la suprématie quantique, c’est-à-dire la capacité de traiter des calculs infaisables par de l’informatique classique avec des moyens et dans des délais compatibles avec les besoins des utilisateurs. « Nos essais ont montré que là où il faudrait théoriquement 10 000 ans au meilleur super-calculateur classique pour traiter une tâche, un ordinateur quantique basé sur la photonique y arrive en quelques heures. Mais outre cette suprématie quantique computationnelle, il peut aussi y avoir une suprématie quantique énergétique, dans le sens où l’on peut réduire drastiquement la consommation énergétique de certains algorithmes d’Intelligence Artificielle. On pourrait ainsi entrainer à moindre coût des modèles de Machine Learning. »

 

Un pistolet à photons

De quoi est composée le processeur quantique de Quandela ? « Notre puce photonique comporte trois parties : une source de photons qui génère à la demande les qu-bits porteurs d’information ; un module de traitement et de liaison avec l’ordinateur, l’équivalent d’un circuit FPGA pour la photonique ; des détecteurs, pour savoir vers quel canal de sortie correspondant à un calcul a été dirigé le photon et donc le résultat du calcul. L’élément crucial et notre savoir-faire, c’est la source de photons. C’est la capacité de cette source à émettre, sur demande, des photons uniques, qui va dicter l'efficacité de l’ordinateur. Ce ‘‘pistolet à photons’’, issu de 25 ans de recherches menées au CNRS par Pascale Senellart, est composée d’un assemblage de couches de matériaux semi-conducteurs (indium, gallium, arsenic) dont l’agencement génère des défauts, des atomes artificiels, qui, lorsqu’on les excite avec un laser, vont émettre un photon unique. Celui-ci passe dans le module de traitement, puis à travers les détecteurs. »

« On commercialise depuis notre création en 2017 ces sources de photons uniques qui sont les plus performantes au monde et on est un million de fois plus compact que nos compétiteurs. Mais nous sommes aussi en train d'étendre notre savoir-faire sur la puce photonique, même si la maitrise de sa technologie est moins cruciale que celle de la source. On souhaite l’internaliser avec l’aide du CEA-Leti de Grenoble. Il y a dans cette puce photonique des contrôleurs électroniques pilotés par l’ordinateur classique, qui vont la faire chauffer plus ou moins suivant le type de calculs que l’on veut réaliser. »

Mais on est encore loin d’un ordinateur 100 % quantique. « A moyen terme, 5 à 10 ans, il faut plutôt voir l’informatique quantique, comme un accélérateur intégrable dans un ordinateur classique, une Quantum Processing Unit (QPU), pour réaliser plus vite certaines tâches, à la manière des actuels Graphics Processing Unit (GPU), largement utilisés pour accélérer des calculs. Ce qui permettra déjà des gains faramineux en termes de performance computationale, de taille de problème traité, de précision de calcul et de performance énergétique. »

 

Du quantique pour quoi faire ?

Si l’on comprend bien que le recours à des puces quantiques, et encore plus si elles sont photoniques, permet d’accélérer certains calculs, encore faut-il que cette puissance puisse être utilisée par les logiciels applicatifs. « Effectivement, un logiciel ne peut pas passer directement d’un ordinateur classique à un ordinateur avec accélérateur quantique. Il faut donc que l’expert métier de l’utilisateur rencontre l’un de nos experts en algorithmique quantique, pour qu’ils créent une version ‘‘quantique’’ de l’algorithme classique utilisé jusqu’à là, afin de tirer parti au mieux des performances de l’accélérateur quantique. Du coup, on va traquer les goulets d'étranglements sur l'algorithme classique et modifier la suite d’instructions de plus bas niveau que l’on envoie à l’ordinateur pour qu’il traite ces parties via l’accélérateur quantique. On pratique de la même manière que lorsque l’on veut utiliser un accélérateur GPU. De plus, notre framework Perceval utilise le langage de programmation Python, omniprésent dans l’informatique classique. Donc la suite d'instructions va changer, car le matériel change, mais le langage de programmation reste le même. Il suffit juste d’encoder astucieusement. »

Il y a donc un effort à faire de la part des éditeurs de logiciels applicatifs pour tirer parti au mieux des accélérateurs quantiques, tout comme ils l’on déjà souvent fait pour tirer parti des GPU. Un effort que Quandela, avec son expertise de l’algorithmique quantique est prêt à faire pour aider les éditeurs à co-construire des applications adaptées à l’ordinateur quantique.

« On travaille aussi avec certains grands industriels ayant développé leurs propres codes de calcul tel EDF. Ils sont en avance sur le quantique pour traiter de très gros problème de calcul comme la déformation géométrique des barrages hydro-électriques ou des tuyères des centrales énergétiques. L’objectif étant d’utiliser le quantique pour traiter des modèles beaucoup proches de la réalité, donc beaucoup plus complexes, pour faire une maintenance prédictive plus précise et plus sure, tout en ayant des codes moins énergivores. De même, on travaille aussi avec l’ONERA sur la modélisation de la combustion dans les moteurs d’avions pour en réduire la consommation et l’émission de polluants. »

Mais outre quelques précurseurs visionnaires, on est encore en phase de découverte et d’apprentissage du quantique. Si les chercheurs ont développé des algorithmes quantiques ad hoc dont la suprématie quantiques a été démontrée par rapport à des algorithmes classiques, il reste encore à leur trouver des applications dans la vie réelle. « Toute l’industrie est à la course derrière l’avantage quantique utile et est en train d’imaginer comment elle pourrait tirer parti de ces accélérateurs quantiques ultra-performants. »

 

Un savoir-faire reconnu

Une excellence scientifique, une équipe cosmopolite talentueuse, des premiers résultats prometteurs et une complétude de l’offre (hardware, middleware, software, services), qui lui ont permis de lever 15 M€ en 2021 et qui ont récemment séduit le jury du programme d'accompagnement de jeunes pousses innovantes du numérique, French Tech DeepNum 20.

« Quandela, qui emploie aujourd’hui une soixantaine de personnes en région parisienne, vit depuis sa création de la vente de ses sources de photons Prometheus et maintenant de machines complètes MosaiQ On Premise. Enfin, depuis que nous avons investi dans un centre de calcul pour créer notre Quandela Cloud, nous vendons aussi du temps de calcul sur nos accélérateurs quantiques. Nous proposons aussi un Quantum Acceleration Program, qui est destiné aux grands groupes qui souhaitent s'émanciper sur le sujet du quantique. On les accompagne, on les aide dans le recrutement, on développe des cas d'usage, on les fait monter en compétence. On participe aussi à un certain nombre d’initiatives relatives au quantique en France, telle la Teratec Quantum Computing Initiative (TQCI) ou la France Hybrid Quantum Initiative (HQI) du Genci. »

De fait, Quandela, qui est le premier à proposer une machine quantique disponible sur le Cloud, s’est imposé comme le leadeur européen de l’informatique quantique photonique et compte parmi la vingtaine d’autres sociétés qui œuvrent sur ce marché émergent de par le monde, telles Xanadu au Canada ou PsiQuantum aux États-Unis.

On voit donc que l’informatique quantique sera utile pour des applications ponctuelles, notamment en calcul et en simulation, où alors que sur les machines classiques elles peuvent vite devenir exponentielles, sur un ordinateur quantique elles seront effectuées en un temps polynomial, fonction de la taille du système. Par contre, il est irréaliste d’imaginer qu’un ordinateur quantique serait adapté pour faire du traitement de texte ou surfer sur internet. L’informatique classique a donc encore de beaux jours devant elle, même si elle doit s’hybrider !

Jean-François Preveraud

Pour en savoir plus :  https://www.quandela.com

 

Le cœur de la source de photon unique. La puce eDelight est installée dans un système cryogénique à faible vibration équipé de nano-positionneurs, pour l'alignement actif des sources de photons uniques. L'excitation laser et la collecte de photons uniques sont effectuées via une fibre optique monomode placée juste au-dessus de l'appareil à 4 Kelvin. 
Doc : Quandela
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Avec une cryogénie entièrement intégrée, des modules optoélectroniques et des sources Solid-State, Prometheus fournit des qubits photoniques de haute qualité pour le traitement de l'information quantique. 
Doc : Quandela
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Ingénieur de formation (ENIM) et journaliste professionnel depuis 1981, Jean-François Prevéraud a participé à de nombreux journaux et lettres d'information (Bureau d'Etudes, CFAO Synthèse, SIT, Industrie & Technologies, Usine Nouvelle...) comme journaliste, rédacteur en chef adjoint ou rédacteur en chef.

En retraite depuis février 2017, Jean-François veut que celle-ci soit active. C'est pour cette raison qu'il reste informé de ce qui bouge dans le PLM dans son sens le plus large (CFAO, Simulation Numérique, Impression 3D, Usine du futur, Réalité virtuelle et augmentée…). Il contribue désormais à notre lettre d'information pour commenter l'actualité que nous publions ou celle qu'il a pu glaner dans les évènements qu'il continue à suivre.

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