Plateforme hybride. Le Driver est la composante maître qui contrôle l’ensemble.
Le calcul quantique - une technologie révolutionnaire en émergence – est capable d’offrir des performances de calcul exceptionnelles dans certains secteurs de la science et de la technologie. Un défi majeur aujourd’hui est l’identification précise de son domaine d’applicabilité.
Dans ce contexte, l’émulation des algorithmes quantiques sur des ordinateurs classiques est une démarche utile. Les plates-formes quantiques actuelles opèrent sur les intervalles de temps très courts (appelés pulses), en raison d’un phénomène de décohérence. Le paradigme actuel de calcul quantique (voir figure) s’appuie alors sur un modèle hybride, où un ordinateur classique délègue a un coprocesseur l’exécution de tâches quantiques très courtes. Toutefois, des algorithmes quantiques lourds et puissants, susceptibles d’apporter une grande valeur ajoutée à une simulation, peuvent néanmoins être étudiés et évalués en les exécutant sur un émulateur opérant dans le côté classique.
Ces observations ont motivé le développement d’un environnement d’émulation quantique pouvant servir comme outil pédagogique et de recherche. La volonté d’intégration dans des simulations hybrides demandait un niveau important de performance computationnelle. L’essentiel du développement a été effectué sur la plate-forme Jean Zay à l’IDRIS, avec une allocation de 100 000 heures CPU et 100 000 heures GPU. L’environnement logiciel est composé de quatre bibliothèques C++, implémentant quatre contextes parallèles différents (mémoire partagée ou distribuée, avec ou sans support des GPU). Elles sont entièrement portables, s’exécutant sur des supercalculateurs ou laptops.
Quelques choix architecturaux apportent des augmentations significatives de performance. En plus de l’activation des GPU, les bibliothèques supportent l’opération des portes quantiques opérant sur des multiples qubits. Ce service, associé à une stratégie d’optimisation basée sur la "fusion des portes", nous permet de remplacer un circuit quantique quelconque par une unique porte quantique multiqubit équivalente. Dans certaines simulations en chimie quantique, l’activation GPU plus la fusion des portes se traduisent par une accélération des performances de 50x, par rapport a un code CPU sans GPU et fusion des portes.
Les bibliothèques disposent d’une documentation très détaillée, en voie de préparation. Elles offrent aussi un grand nombre de codes comportant des exemples, ainsi que quelques grosses simulations dans plusieurs secteurs de la science et de la technologie.