Le 6 novembre 2017, le Club MOA a donné la parole à Pierre BARNABE, Directeur général de la division Big Data et Sécurité d’ATOS. Il dirige les équipes d’ATOS qui ont développé récemment un simulateur quantique associé à un langage de programmation universel « ATOS Quantum Learning Machine ».
Depuis le début des années 80, le développement des ordinateurs à base de « Qbits » (au lieu du « bit » traditionnel) s’accélère.
Les machines offrent des capacités de calcul inédites. Au fur et à mesure de leur développement, elles devraient constituer la base de technologies futures.
Comment évolue la recherche en ce domaine ? Comment fonctionne un ordinateur quantique ? Quels exemples d’usage de ces supercalculateurs peut-on imaginer ?
Pierre Barnabé a partagé avec les membres du club son expérience et sa vision prospective de ce sujet.
Propos liminaire
ATOS premier Groupe européen dans son domaine d’activité fabrique des supercalculateurs. Il y a peu d’entreprises dans le monde capables de réaliser de telles machines : IBM, CRAY, HP/SGI, Fujitsu ; ATOS-BULL, Huwei.
ATOS-BULL est le seul constructeur européen. Il travaille sur la mise au point de machines exaflopiques : 1 milliard de milliards d’opérations en virgule flottante par seconde avec l’objectif de les mettre à disposition vers 2022. Ces puissances deviennent nécessaires pour traiter le volume de données générées, qui ne cessent d’augmenter (en 2020 on prévoit une création de 44 x 1021 données).
En face de ces besoins on observe la fin de la loi de Moore (dans une dizaine d’années, environ) car la finesse de gravure sur des substrats de silicium ne pourra pas descendre en dessous de 5 nanomètres (10-9 m) car au-delà les électrons passeront d’un circuit à un autre de façon désordonnée.
Il faut donc trouver d’autres solutions pour résoudre ce problème de puissance de calcul nécessaire pour traiter ces volumes de données.
Introduction à la physique quantique
La genèse se situe aux 18e et 19e siècles. Le socle de départ est la physique des particules. Chaque particule est associée à une longueur d’onde. Lorsqu’elle se déplace les particules subissent des phénomènes d’onde produits par la particule elle-même.
Chaque particule qui se déplace établit une signature d’onde qui change en permanence. C’est ce qu’on appelle la physique ondulatoire : l’étude des ondulations générées par chacune des particules. Les particules n’ont pas de trajectoire prédéfinie, elles semblent avoir une vie propre.
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Modèle standard : Les Qbits
La superposition quantique est utilisée pour faire un calcul. Aujourd’hui dans la technologie silicium, les positions sont déterministes : 0 ou 1. L’information est une association de 0 et de 1.
Le fait qu’une particule puisse avoir n états donne à la particule la possibilité d’avoir un état particulier entre 0 et 1 au moment où on l’observe. Donc elle multiplie par n le nombre d’états possibles, au moment de son observation.
Au lieu d’avoir une information qui soit 0 ou 1, on dispose d’une information qui est 0 ou 1 à la fois, soit 2 états. Avec n particules intriquées on a donc 2n états superposables. Ceci permet d’avoir un éventail informationnel très important.
L’autre élément, l’intrication, permet d’avoir autant d’états que de particules intriquées.
[…]
Etat de l’art côté physique
Pierre Barnabé a passé en revue les différentes approches physiques pour mettre en œuvre ces théories quantiques.
Il a successivement commenté :
- L’ordinateur quantique à l’état liquide
- L’ordinateur quantique optique
- L’ordinateur à points quantiques
- L’ordinateur quantique silicium
- L’ordinateur quantique supraconducteur
- L’ordinateur quantique diamant
- L’ordinateur quantique adiabatique
- L’ordinateur quantique à ions piégés
- L’ordinateur quantique topologique
Sur ce marché on croise IBM, Google, Microsoft et D-Wave, chacun avec une option d’ordinateur physique différente.
Le plus répandu aujourd’hui, théorisé par Daniel Estéve est l’ordinateur quantique supraconducteur. Les températures de fonctionnement voisinent le quasi zéro absolu, soit quelques milli degré Kelvin, soit -273,149°C. Cette technique reste une technique de laboratoire qui demande un environnement très lourd et très couteux. Par contre elle permet de mettre en œuvre un nombre plus important de Qbits et d’une durée qui permet une bonne observation. (Google prétend avoir travaillé avec 50 Qbits…)
Avec un ordinateur quantique adiabatique une société canadienne, D-Wave, aurait mis en œuvre un système avec plusieurs centaines de Qbits (mais aucune certitude sur cet exploit…).
Un ordinateur quantique à ions piégés a été expérimenté à Innsbruck. Avantage : un fonctionnement à température ambiante et utilisation de lasers moyennement complexes (annoncé : 14 Qbits manipulables individuellement).
Position d’ATOS sur le sujet
Sur la partie physique il y a beaucoup trop d’options, les contraintes techniques et économiques sont très importantes. Selon ATOS l’avenir est probablement un ordinateur hybride disposant d’une unité de calculs quantiques et d’une structure classique.
Ceci ne se produira pas avant une dizaine, voire une quinzaine d’années.
ATOS a donc décidé de ne pas investir dans le hardware. ATOS a créé une « Quantum Learning Machine » (QLM) basée sur des nœuds de supercalculateurs et qui a pour vocation d’émuler et de simuler le calcul quantique.
L’idée générale est la suivante : lorsque les ordinateurs quantiques sortiront des laboratoires pour investir le monde industriel et commercial il sera nécessaire que les ingénieurs, les techniciens sachent les programmer en tenant compte de leurs spécificités.
A dessein, la QLM permet de former les scientifiques et facilite les recherches théoriques et pratiques en matière de logiciel s’appliquant aux ordinateurs quantiques. Bien sûr il n’y a pas l’accélération d’une vraie machine quantique, bien que la machine soit très rapide. Cette machine dispose d’un langage hybride qui permet de traduire le quantique en binaire et inversement. Ce langage est une création d’ATOS et c’est une première mondiale. L’ensemble a été annoncé le 4 juillet 2017. Cette machine a été commandée dans plusieurs grands centres de recherche.
La machine est dans une technologie « normale » c’est l’équivalent d’un « petit » supercalculateur.
Pour mener à bien ce projet ATOS s’est entouré de scientifiques de renom:
- Serge Haroche (Nobel 2012)
- Cédric Villani (Fields 2010)
- Alain Aspect
- David DiVincenzo
- Artur Ekert
- Daniel Estève
Conséquences de la vitesse des machines quantiques
Pour conclure cette passionnante soirée Pierre Barnabé a répondu à de nombreuses questions, notamment sur des questions relatives à la cryptographie (cassage des codes tel que le RSA) et à la sécurité des données. En effet, la puissance de calcul sera telle que tous les processus de sécurisation, tel que la Blockchain, devront être revu en profondeur…
Avant de se quitter, les membres ont pu échanger sur la base des illustrations toujours très pertinentes de nos facilitateurs graphiques de la société « En haut de l’affiche ».
NB: Le compte-rendu intégral est réservé aux adhérents