Les ordinateurs quantiques comprennent des qubits - l'équivalent quantique des bits classiques « 0 ou 1 » - et des portes qui les modifient. Aujourd'hui, les entreprises rivalisent sur de nombreux aspects : le nombre de qubits, le type de portes disponibles, la connectivité entre les qubits, les taux d'erreur, la température de fonctionnement, etc. Le rythme de ces progrès est absolument fulgurant. IBM, notamment, proposait un calculateur quantique de pointe de 65 qubits, et prévoit une version de 433 qubits pour cette année, et une autre de 1.000 qubits pour 2023.

Le hardware n'est qu'une pièce du puzzle

Aussi important que le hardware puisse paraître, le software est également essentiel pour propulser cette révolution quantique. En informatique classique, une unité centrale moderne est inutile sans un système d'exploitation et des logiciels pour développer des applications, et nous pouvons supposer qu'il en sera de même pour les ordinateurs quantiques. Sans logiciels puissants, l'informatique quantique ne pourra tenir ses promesses.

Toutefois, le développement de software quantique n'en est actuellement qu'à ses prémices. Les langages de programmation quantique tels que Q# de Microsoft, Qiskit d'IBM ou encore Cirq de Google, fonctionnent principalement au niveau de la porte ou du bloc de construction. Si par exemple un bloc de construction requis n'est pas encore mis en œuvre, l'utilisateur doit spécifier la séquence exacte des interconnexions entre les qubits et les portes quantiques.

Ce processus est similaire à la création d'un circuit numérique en plaçant laborieusement des portes logiques « traditionnelles ». Cette méthode peut fonctionner lorsqu'il y a des dizaines de portes logiques, mais est pratiquement impossible à mettre à l'échelle de milliers ou de millions de portes.

Doctorants quantiques = ingénieurs software

Le caractère complexe de la conception de logiciels quantiques entraîne un autre aspect défavorable : la difficulté de trouver des ingénieurs software. La programmation quantique étant différente de la programmation classique, les ingénieurs en logiciels quantiques se font rares. Ils doivent être des experts en théorie de l'information quantique et avoir une compréhension pratique de la physique quantique ainsi qu'une maîtrise de l'algèbre linéaire.

Aujourd'hui, ces ingénieurs sont généralement titulaires de doctorats de grandes universités. Les profils possédant ces qualifications sont peu nombreux, et les entreprises ont du mal à les embaucher au sein de leurs branches quantiques nouvellement créées.

En outre, les ingénieurs en logiciels quantiques n'ont pas d'expertise dans le pricing d'options, la biologie moléculaire, l'optimisation de la supply chain, ou tout autre domaine que les équipes souhaitent traiter. La nécessité de définir de nouveaux algorithmes au niveau des portes rend très ardue l'intégration d'experts de domaines spécifiques dans les équipes quantiques.

Quelle vue d'ensemble ?

Lorsque vous prenez une magnifique photo de vacances et que vous souhaitez accentuer les couleurs du coucher de soleil, vous n'avez probablement pas envie de le faire pixel par pixel, surtout si votre photo en compte des millions. Vous utiliseriez plutôt Photoshop ou un autre logiciel de retouche d'images qui vous permettrait de spécifier vos souhaits et de trouver un moyen de les réaliser pixel par pixel.

De la même manière, si vos équipes développent un nouvel algorithme quantique, elles ne voudront pas le coder - ou le corriger et le maintenir - porte par porte. Ils chercheront un langage de pointe pour traduire les nouveaux concepts en implémentation au niveau des portes quantiques.

Où avons-nous déjà vu cela ?

Nous avons fait plus haut l'analogie entre la programmation quantique et la conception de circuits numériques. L'évolution de leur conception peut servir d'inspiration à la résolution des défis software.

À mesure que les circuits numériques devenaient plus complexes (un processeur Intel 8086 compte environ 20 000 transistors, alors qu'un i7 moderne en compte plus de 4 milliards), des langages de conception comme le VHDL sont venus à la rescousse. Avec VHDL, Verilog et autres langages de description hardware similaires, les concepteurs sont en mesure de développer des codes lisibles décrivant les objectifs, puis des programmes informatiques traduisent ces écritures en interconnexions de portes détaillées.

Ces langages ont permis de concevoir des circuits extrêmement sophistiqués et d'en assurer efficacement le débogage et la maintenance. Ces langages favorisent également la réutilisation des codes, de sorte qu'il ne soit pas nécessaire de les reconcevoir à chaque fois.

À quoi faut-il s'attendre ?

Nous assisterons bientôt à l'application d'une approche similaire au VHDL à l'informatique quantique. Si les structures du langage quantique peuvent être très différentes de celles du design électronique, le principe de cette « conception d'algorithmes quantiques » reste le même : se recentrer sur un objectif et laisser le programme informatique le traduire en qubits et en portes. Comme le VHDL a connu beaucoup de succès et que nous pouvons en tirer plusieurs enseignements, son équivalent quantique devrait se développer beaucoup plus rapidement et avec beaucoup moins d'incertitude.

Pour affronter cette révolution quantique et ces nouvelles plateformes logicielles, les entreprises peuvent :

• Initier les experts de leur domaine aux concepts de l'informatique quantique, sans pour autant leur demander d'apprendre la programmation de bas niveau,
• Éviter de se lancer tête baissée dans les qubits et les portes, il faudra tout d'abord créer un langage de haut niveau, compréhensible, pour définir les fonctions de l'algorithme quantique,
• Continuer à explorer le marché des plateformes pouvant transformer des langages de modélisation de pointe en code quantique de bas niveau optimisé.

Renfort en vue

Sans progrès notables dans le software, l'informatique quantique stagnera. Les logiciels de conception d'algorithmes quantiques permettront non seulement de mettre en œuvre des algorithmes plus sophistiqués sur des machines plus avancées, mais aussi d'élargir le vivier de talents disponibles, permettant ainsi à des experts de domaines spécifiques de travailler avec des ingénieurs quantiques de haut niveau.

C'est en intégrant le hardware, le software et les ressources humaines que nous pourrons tenir la grande promesse de l'informatique quantique.