La Finlande s’apprête à industrialiser l’informatique quantique

Des écosystèmes en croissance en Finlande

Pour aider au projet de construction d’un ordinateur quantique, VTT a choisi Gestion de la qualité, une start-up finlandaise fondée en 2019 et qui compte aujourd’hui 140 employés. « Nous agissons en tant qu’intégrateur de systèmes », explique Jan Goetz, PDG et co-fondateur d’IQM. « Notre travail consiste à prendre les différentes pièces et à construire des systèmes d’informatique quantique. »

L’une des pièces qu’ils utilisent est le système cryogénique de la société finlandaise Bluefors, qui est né de la longue histoire de recherche finlandaise en physique des températures froides. Fondée en 2008, Bluefors a finalement trouvé un créneau dans l’informatique quantique et est maintenant le premier fournisseur mondial de boîtiers cryogéniques utilisés pour maintenir les qubits supraconducteurs à des températures très proches du zéro absolu.

« Depuis que nous avons construit le premier ordinateur quantique finlandais cette année, nous avons vu quelques autres startups émerger », explique Goetz. « Algorithmiq est l’un d’entre eux, et Quanscient est un autre qui vient de se former très récemment. En plus de cela, plusieurs entreprises de l’extérieur de la Finlande ont vu une opportunité ici et font maintenant partie de l’écosystème local. Avec cette combinaison de startups locales et des filiales locales de foNous avons maintenant un bel écosystème d’organisations qui se forment autour de l’informatique quantique. »

Alors que pratiquement tous les pays industrialisés du monde reconnaissent l’informatique quantique comme une technologie stratégique, la Finlande est particulièrement bien placée pour adopter le nouveau paradigme. Le gouvernement espère accroître l’avantage grâce à l’investissement – et certaines des entreprises et des organismes de recherche locaux bénéficient également des initiatives de l’UE, ainsi que du capital-risque qui afflue maintenant en Finlande pour tirer profit des compétences du pays.

Les écosystèmes de recherche et d’éducation sont également en train de germer, avec des plans pour embaucher plus de scientifiques et de professeurs. VTT, l’Université Aalto et l’Université d’Helsinki sont membres fondateurs d’une communauté de recherche appelée InstitutQ, qui vise à développer une expertise quantique de classe mondiale et à aider les entreprises à utiliser l’informatique quantique.

Les Finlandais sont parfaitement conscients que la Finlande ne pourra jamais être une Silicon Valley. L’économie n’est tout simplement pas assez grande. Les startups finlandaises savent donc dès le début qu’elles doivent préparer leurs produits et services pour l’exportation – et c’est ce qui rend les entreprises finlandaises locales si fortes sur le marché mondial.

« En ce qui concerne l’IQM, nous voulons être le principal fournisseur de centres de supercalcul et des entreprises qui peuvent se permettre leurs propres ordinateurs quantiques », explique Goetz. « En tant qu’intégrateur de systèmes, nous fournissons un système complet. Mais le système, bien sûr, contiendra plus que de simples pièces IQM.

« Nous avons construit le cœur nous-mêmes, qui est le processeur quantique, puis un peu d’électronique de contrôle et une partie du logiciel. Le logiciel est mieux décrit comme une pile de micrologiciels, mais tout le reste, nous ne faisons qu’assembler », dit-il. « Nous achetons la cryogénie de Bluefors, nous achetons des câbles et nous achetons des amplificateurs. Ensuite, nous rassemblons tout cela.

IQM a fabriqué les qubits pour le prototype de cinq qubits et continuera jusqu’à l’ordinateur de 50 qubits, qui devrait être un système fonctionnel capable de résoudre des problèmes réels. IQM a sa propre ligne de fabrication, qu’elle utilise pour construire le processeur, en commençant par des plaquettes de silicium nues. Ils utilisent également l’infrastructure nationale d’Otanano, qui dispose de la plus grande salle blanche de R&D des pays nordiques et est gérée conjointement par VTT et l’Université Aalto.

Un nouveau modèle d’utilisation verra un jour le jour

Une bonne façon d’illustrer comment les ordinateurs quantiques pourraient être utilisés est de considérer comment Google Maps trouve le meilleur chemin. Il s’agit d’un problème très gourmand en calcul. Si vous le demandez sur votre smartphone, ce n’est pas votre smartphone qui calcule le chemin. Votre smartphone ne communique le problème qu’à un serveur quelque part dans un centre de données. Le chemin est calculé sur un ordinateur puissant et la réponse est transmise à votre téléphone.

Les services d’informatique quantique seront probablement offerts aux consommateurs de cette manière à l’avenir, la plupart des utilisateurs ignorant complètement ce qui est impliqué. L’informatique quantique aidera également les entreprises à faire de la R&D en utilisant un modèle similaire. Les entreprises qui souhaitent trouver de nouveaux matériaux peuvent demander des services de modélisation et de simulation, et certaines parties de ces services seront effectuées par un ordinateur quantique dans le cloud; d’autres seront effectuées par un ordinateur classique.

IBM et d’autres entreprises proposent déjà des services d’informatique quantique sur le cloud. Mais ces services sont utilisés par les chercheurs et se limitent souvent à simuler l’informatique quantique. Les chercheurs peuvent tester des algorithmes sur les simulateurs – et ceux qui ont eux-mêmes quelques qubits peuvent comparer les résultats du simulateur avec ce qu’ils obtiennent sur leur prototype d’ordinateur quantique.

Il n’est pas encore clair comment un système pratique offrira des services aux développeurs d’applications et aux utilisateurs finaux. Une approche consiste à avoir des bibliothèques spécifiques – par exemple, une bibliothèque de chimie qui peut être utilisée pour simuler de nouvelles molécules. Les développeurs d’applications n’ont qu’à accéder à ces bibliothèques pour développer une solution qui aidera les entreprises en R&D. Au moment de l’exécution, la bibliothèque transfère le travail à un centre de supercalcul qui effectue le travail. Lorsque le centre de supercalcul reçoit une tâche, il sépare les parties qui vont à l’ordinateur quantique de celles qui peuvent être mieux exécutées sur un ordinateur classique. Pour ce faire, il aura besoin d’un planificateur.

« Quelque chose de très similaire se produit déjà pour les algorithmes d’IA », explique Goetz. « Les gens utilisent gpu [graphical processing units] pour accélérer les clusters de cpu. Certains problèmes fonctionnent très bien sur les GPU, mais pas bien du tout sur les CPU. Ces problèmes sont séparés et affectés aux unités de traitement appropriées.

« Pour avoir les bibliothèques, bien sûr, vous devez avoir les algorithmes et les compilateurs entre les deux, et c’est un sujet délicat en ce moment », dit-il.. « Nous n’en sommes pas encore au point où nous avons un ordinateur quantique universel à grande échelle où vous n’avez qu’un seul type de compilateur qui compile tout pour une architecture standard. »

Architecture de l’appareil

Les ordinateurs quantiques sont loin d’être génériques. L’écriture d’un programme nécessite une connaissance de l’architecture d’un appareil donné, y compris la qualité des qubits et les distances entre eux. La cohérence et la fidélité sont les facteurs les plus importants à considérer.

« Disons que sur le processeur, vous avez quelques mauvais qubits », explique Goetz. « Vous voulez les éviter dans votre calcul et les laisser ne faire que des tâches très mineures. À l’avenir, nous aurons peut-être un système de rétroaction entre le processeur et le compilateur réel, afin que le compilateur puisse générer des programmes adaptés à l’ordinateur. Mais pour l’instant, nous sommes encore dans cette phase où les gens ont vraiment besoin de se salir les mains et de cartographier les deux mondes ensemble.

« Pour aider les développeurs, nous construisons une sorte de firmware qui fournira des interfaces logicielles standard », dit-il. « En ce moment, nous intégrons Google Cirq, IBM Qiskit et Atos QLM [Quantum Learning Machine]. Ce sont les trois principales couches logicielles sur le dessus. Toute personne disposant d’un logiciel s’exécutant au-dessus de ces couches pourra s’exécuter sur nos machines. »

Les premières applications pratiques de l’informatique quantique

Dans le cadre du projet financé par le ministère finlandais des Affaires économiques, une équipe distincte de VTT, l’équipe d’algorithmes quantiques, développe des algorithmes à utiliser sur l’ordinateur quantique. La modélisation des matériaux est un exemple de domaine d’application sur lequel ils travaillent. VTT a l’intention de prendre quelques exemples de ce type pour tester les algorithmes sur les systèmes à cinq qubits et comparer les résultats avec une simulation.

Comme beaucoup d’autres organisations qui tentent de construire un ordinateur quantique pratique, VTT examine deux grands types d’applications. La première consiste à résoudre des problèmes d’optimisation complexes qui existent dans de nombreuses industries – des domaines problématiques, tels que la distribution d’énergie, le contrôle des processus et la gestion de flotte. La seconde consiste à prédire les structures et les propriétés des formations moléculaires beaucoup plus précisément et efficacement qu’auparavant, en accélérant la découverte de médicaments et le développement de nouveaux matériaux.

« Personne ne sait si les premières applications pratiques de l’informatique quantique seront dans la finance, la médecine, la science des matériaux ou un autre domaine », explique Majumdar. « Mais une chose est sûre, c’est qu’il évoluera très rapidement.

« Une tendance que nous commençons déjà à voir est que les acheteurs et les utilisateurs finaux de la technologie (BMW, Goldman Sachs et autres) ont tendance à créer un triangle d’entreprises, composé d’une société de matériel, d’une société de logiciels et d’eux-mêmes en tant qu’utilisateurs. Ce triangle développe une solution hautement personnalisée autour d’un cas d’usage spécifique. Cette tendance se poursuivra pendant plusieurs années car les ordinateurs quantiques sont très spécifiques et les algorithmes agnostiques des machines sont loin. Tout sera très personnalisé au début. »

Bien qu’il y ait encore beaucoup d’inconnues, une chose est claire: en construisant un écosystème local qui exporte des produits et de l’expertise, la Finlande a de bonnes chances de faire partie de la réponse européenne à la technologie de l’informatique quantique en provenance des États-Unis et de la Chine.