Je suis tombé sur une publication LinkedIn de Michaela Eichinger (de Quantum Machines), qui posait une excellente question sur la signification d’un QPU, résumée ci-dessous :
Puce quantique connectée à une carte de circuit imprimé - Crédits : QUtechL’unité de traitement quantique (QPU) ne se limite pas à la puce nue : dans les semi-conducteurs classiques, les processeurs sont bien plus qu’une simple puce de silicium après sa fabrication. Sans le boîtier, la distribution d’horloge, les hiérarchies de mémoire et le microcode, cette puce n’est qu’un matériau hautement structuré.
La même rigueur en matière d’ingénierie des systèmes s’applique au QPU. Seule, la puce quantique est inactive. Elle nécessite un conditionnement et un environnement adaptés (comme un réfrigérateur à dilution ou une chambre à vide), ainsi que les circuits de commande et l’infrastructure nécessaires à l’exécution des portes logiques.
Terminologie Link to heading
Parmi tous les commentaires sur la question, celui d’Olivier Ezratty était particulièrement pertinent. Il suggérait de définir deux termes clés pour clarifier les choses : « ordinateur quantique » et « système informatique quantique ».
Ordinateur quantique : il exécute un circuit quantique prédéfini, généralement plusieurs fois, et fournit des résultats exploitables. Cela inclut la compilation, l’optimisation, l’implémentation QEC/FTQC le cas échéant, le pilotage de tous les systèmes classiques (électronique, photonique), les mesures en cours de circuit, l’optimiseur classique (pour les circuits variationnels NISQ) et le post-traitement. Sans oublier toutes les technologies sous-jacentes, y compris la cryogénie.
- Système d’informatique quantique : résout un problème utilisateur à l’aide d’un ordinateur quantique. Il doit inclure toutes les ressources classiques nécessaires à la génération du circuit quantique, jusqu’à une puissance de calcul haute performance si besoin. Et l’ordinateur quantique utilisé.
Le schéma de droite représente ces deux définitions.
Perspective système : [ QPU || GPU ] Link to heading
L’aspect le plus intéressant réside dans le système d’informatique quantique. J’aime établir un parallèle entre la pile QPU et la pile GPU, comme illustré dans le schéma suivant :
Du point de vue du système, un QPU n’est pas si différent d’un GPU. Il existe des analogies entre les différentes couches des architectures QPU et GPU.
Il est également utile d’identifier quelles parties fonctionnent sur le matériel quantique et quels composants logiques fonctionnent sur l’ordinateur classique, même si les deux font partie de l’ordinateur quantique.
Olivier Erzaty a fourni des commentaires utiles sur le schéma original que j’ai publié sur LinkedIn :
- Interconnexion : Il existe au moins deux interconnexions. L’interconnexion quantique transporte des entités quantiques intriquées. L’autre est l’interconnexion classique en temps réel, appelée interconnexion en temps réel (RTI) dans la terminologie NVQLink. Un réseau classique standard relie également les processeurs, mais il n’est pas représenté sur ce schéma.
Étalonnage : Idéalement, l’étalonnage devrait être effectué en temps réel, mais ce n’est généralement pas le cas. Actuellement, il existe deux types d’étalonnage : l’étalonnage en temps réel, qui s’exécute au sein du matériel quantique à l’aide des NPU embarqués et des données de lecture ou de syndrome, et l’étalonnage plus lent, qui s’exécute sur le CPU ou le GPU à l’aide de modèles vLLM avancés comme Ising. Ces deux approches pourraient à terme fusionner, mais cela pourrait prendre plusieurs années.
- Accélération : Le premier schéma utilisait le terme « accélération matérielle quantique » pour souligner que les circuits quantiques peuvent également s’exécuter sur des simulateurs accélérés par GPU, même sans QPU. Cependant, comme l’a fait remarquer Olivier, certains domaines quantiques, tels que le QML, utilisent des solutions quantiques pour améliorer les résultats, mais pas nécessairement la vitesse. Afin d’éviter toute confusion, les composants spécifiques au matériel quantique (séquenceur, contrôleurs, pulsar, cryogéniseur et puces quantiques) sont appelés « matériel quantique ».
Hiérarchie du système Link to heading
Ceci conduit à la hiérarchie suivante, semblable à celle proposée par Olivier :
- Système quantique : Système hétérogène et hybride faisant fonctionner simultanément des GPU, des CPU et des QPU. 2. Ordinateur quantique : Système exécutant des circuits quantiques et générant des résultats probabilistes. 3. Matériel quantique : Composant physique contenant le QPU, ainsi que le système cryogénique et le PPU.
Voici quelques points à noter :
xPUs : J’ai mentionné « GPU, CPU et QPU », mais j’aurais pu utiliser « xPU » comme terme général pour toute unité de traitement, puisque le système peut également utiliser des TPU et des NPU.
PPU : Le PPU signifie « Pulse Processing Unit » (unité de traitement des impulsions). Il s’agit du composant sur lequel s’exécute le firmware, responsable du contrôle et de la lecture des pulsars, du séquençage (en milieu de circuit), du QEC et de la mise en réseau RTI.
GPU vs PPU : L’exécution de noyaux sur le GPU ou le PPU implique un compromis entre le coût du déplacement des informations et la puissance de calcul, en particulier lorsque les PPU sont placés à l’intérieur du cryostat.
Conclusion Link to heading
Cette brève note m’a permis de clarifier les différents composants d’un système d’informatique quantique faisant fonctionner des QPU. J’ai volontairement utilisé l’analogie avec le GPU pour faciliter la compréhension des composants d’une QPU.
Bien sûr, il s’agit d’une vue simplifiée et j’ai volontairement omis de nombreux détails. Je les aborderai dans de prochains articles. En attendant, si cela vous intéresse, jetez un œil à CudaQ de Nvidia, qui résout déjà bon nombre des problèmes de conception présentés dans la partie supérieure de ce schéma.
Je tiens également à remercier Oliver Erzaty pour ses commentaires et Michaela Eichinger pour ses questions et publications toujours pertinentes.
References:
- NVQLink: Real-time accelerated computing for every quantum processor
- CudaQ: NVIDIA’s open platform for quantum computing and the foundation for accelerated quantum supercomputing
- PPU: Real-Time Quantum Control at the Pulse Level
- NVIDIA Ising
For reference, this is the initial diagram posted on LinkedIn:
DrawIO diagrams used in this memo:
