Doté d’un budget de 4 M€ sur trois ans (septembre 2023 - août 2026), BACQ réunit autour du coordinateur du projet Thales, Eviden, le CEA, le CNRS, Teratec et le LNE.

Résumé

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BACQ est le premier projet de R&D financé par le programme MetriQs-France. Doté d’un budget de 4 M€, ce projet de trois ans mis en place de septembre 2023 à août 2026 regroupe six acteurs clés de l’écosystème quantique : Thales (coordinateur), Eviden, le CEA, le CNRS, Teratec et le LNE. BACQ a pour principal objectif d’établir des benchmarks (ou critères de référence) pour évaluer les performances de tout type de calculateur quantique sous l’angle d’applications concrètes ayant un sens pour les utilisateurs finaux. En pratique, BACQ produira des indicateurs opérationnels de haut niveau permettant de noter les performances des ordinateurs quantiques. Ces indicateurs seront fondés sur l’agrégation de métriques, calculatoires et énergétiques, relatives à la résolution de problèmes concrets couvrant de nombreux domaines d’application de l’informatique quantique : optimisation, résolution de systèmes linéaires, simulation de physique quantique et factorisation. Ces indicateurs seront ensuite agrégés en un modèle de notation unique tenant compte des préférences des utilisateurs et permettant de comparer les différentes machines. Avec l’objectif d’une adhésion aussi large que possible, BACQ fournira in fine, en accès libre, un jeu de benchmarks de référence à mettre en œuvre sur tout type de calculateur quantique.

Contexte et enjeux

L’informatique quantique promet de révolutionner de nombreux domaines scientifiques et secteurs d’activité : logistique, finance, médecine, recherche scientifique, cryptographie et cybersécurité, etc. Celle-ci a été motivée par la recherche de l’avantage quantique computationnel, à savoir la capacité à calculer plus vite et à traiter des problèmes plus complexes et en moins de temps qu’un calculateur classique. Cela va jusqu’à la possibilité, à terme, de réaliser des calculs entièrement inaccessibles aux calculateurs classiques.

Les annonces et les initiatives autour de l’informatique quantique, publiques comme privées, s’enchaînent et se multiplient partout en Europe et dans le reste du monde, au point que certains observateurs parlent de l’avènement d’une nouvelle ère. Pourtant, même si la recherche fondamentale dans le domaine des technologies quantiques a effectué de grandes avancées au cours de la dernière décennie, cette technologie de rupture en plein essor se heurte à des défis scientifiques, technologiques et techniques qui, pour l’instant, freinent son adoption par l’industrie et la société. Aussi, est-il nécessaire non seulement de démontrer de manière indiscutable les atouts des calculateurs quantiques par rapport aux calculateurs classiques, mais aussi de comparer les différents types de calculateurs quantiques entre eux. 

L’analyse comparative des calculateurs quantiques est plus compliquée que dans d’autres domaines pour quatre raisons principales :

• De nombreux systèmes informatiques quantiques sont en cours de développement : chacun utilise des technologies sous-jacentes différentes (qubits supraconducteurs, qubits de spin, qubits à ions piégés, qubits à atomes neutres, qubits photoniques, etc.) et s’appuie également sur différents paradigmes (machines analogiques incluant machines de type adiabatique, machines à portes, machines avec code correcteur d’erreurs, etc.). 
• Le marché est très dynamique et évolutif : par conséquent, comparer les performances des calculateurs quantiques à un moment donné ne sera pas nécessairement indicatif des développements technologiques futurs.
• Les domaines d’application de l’informatique quantique sont très variés (simulation de physique quantique, optimisation, factorisation, etc.) et chacun d’eux mobilise des propriétés différentes des machines et donc différentes formes d’évaluation.
• Les avancées de l’algorithmie quantique sont importantes : les progrès se poursuivent non seulement grâce aux avancées matérielles, mais également aux avancées algorithmiques qui permettent une utilisation plus efficace de ce matériel (codes correcteurs d’erreurs, compilateurs générant les circuits quantiques, algorithmes hybrides, etc.).

Ces quatre facteurs soulignent à quel point des moyens de comparaison efficaces sont essentiels pour la prise de décision des utilisateurs finaux (industriels, laboratoires, gouvernements, etc.). Comprendre l’état de la technologie aujourd’hui et suivre ses progrès au cours du temps, identifier le matériel qui convient le mieux à un cas d’utilisation donné et comparer un fournisseur de calculateur quantique à un autre nécessitent des tests systématiques.

L’analyse comparative des performances des calculateurs quantiques est essentielle pour accélérer les progrès de l’informatique quantique. L’estimation rigoureuse de l’avantage quantique computationnel requiert notamment la définition et le test des benchmarks applicatifs. La clé est de concevoir des benchmarks :

• Utiles, indiquant aux utilisateurs ce qu’ils doivent savoir ; 
• Évolutifs, pouvant s’étendre et s’adapter à l’évolution des technologies ; 
• Complets, couvrant tous les attributs pertinents.

Objectifs

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Avec le soutien du programme MetriQs-France  et fort d’un budget de 4 M€ sur trois ans (septembre 2023 - août 2026), le projet BACQ a pour objectif de développer un instrument de mesure fiable pour évaluer la performance des calculateurs quantiques sous l’angle d’applications concrètes qui ont un sens pour les utilisateurs finaux. Pour la mesure des progrès vers un avantage quantique pratique, le projet considèrera non seulement les performances calculatoires des machines, mais aussi le coût en ressources associé aux performances recherchées, en particulier l’efficacité énergétique.

L’évaluation des performances des calculateurs quantiques sera fondée sur l’analyse de résolution de problèmes de référence : optimisation, résolution de systèmes linéaires, simulation de physique quantique et factorisation. Pendant trois ans, les partenaires vont développer des benchmarks (ou critères de référence) pour chacun des problèmes sélectionnés, puis définir le modèle de notation multicritère qui agrègera ces indicateurs opérationnels de haut niveau. Ce modèle, unique, sera conçu afin de tenir compte des préférences des utilisateurs et permettra de comparer entre eux différents types de processeurs quantiques et de mettre en évidence les atouts de chacune des technologies pour une application donnée.

BACQ cherche également à faire adopter à grande échelle les outils de mesure en cours d’élaboration, en ce qui concerne les spécifications des machines quantiques et de leur méthodes d’évaluation. Afin de garantir à terme la pénétration la plus large possible des technologies quantiques auprès de leurs utilisateurs potentiels, BACQ appuie les travaux de normalisation  et promeut les benchmarks développés à l’échelle européenne et internationale. Par exemple, au sein du comité technique CEN-CENELEC JTC22 WG3 Quantum computing and simulation, BACQ participe activement à un groupe de travail sur les benchmarks applicatifs directement liés au projet. Au sein du comité technique IEC/ISO JTC3 Quantum technologies, BACQ est également très impliqué dans un projet de standards internationaux sur les benchmarks applicatifs, avec l’objectif de bâtir un consensus autour de la vision développée dans le projet afin qu’elle devienne une référence internationale.

À terme, le projet BACQ mettra à disposition des utilisateurs, en accès libre, un jeu de benchmarks de référence à mettre en œuvre sur tout type de calculateur quantique.

Consortium

Le projet BACQ regroupe six acteurs clés de l’écosystème quantique : 

• Thales, à travers Thales Recherche & Technologie, est le coordinateur du projet et participe au développement des critères de référence pour l’optimisation et la résolution de systèmes linéaires sur les machines NISQ (Noisy Intermediate Scale Quantum) et FTQC (Fault-Tolerant Quantum Computing), avec un point focal sur le bruit et les erreurs. Par ailleurs, Thales participe à l’agrégation des critères développés dans le cadre du projet dans l’outil de décision multicritère MYRIAD permettant de fournir une notation globale explicite de la performance des ordinateurs quantiques tout en tenant compte des préférences des utilisateurs.
• Eviden participe au développement de critères techniques de référence liés à l’optimisation, en adaptant le Q-Score/Max-Cut développé pour la résolution du problème d’optimisation à une grande variété de machines quantiques. L’équipe contribue également (avec celle de l’IPhT) au développement d’un Many-body Quantum Score (à plusieurs corps) basé sur la simulation de la dynamique d’un problème de physique quantique à N-corps.
• Le CEA participe au projet à travers les travaux de trois de ses laboratoires : l’Institut de Physique Théorique (IPhT), le Laboratoire PHotonique ELectronique et Ingénierie QuantiqueS (PHELIQS) et le Laboratoire d’Intégration des Systèmes et des Technologies (CEA-List). L’IPhT et PHELIQS travaillent sur des critères de référence liés à la simulation de problèmes de physique quantique à plusieurs corps, pour des machines à portes et des machines analogiques. Par exemple, ils travaillent sur des critères liés à la précision de la préparation, d’évolution et de la mesure d’états intriqués à grand nombre de particules (Many-body Quantum Score, en collaboration avec EVIDEN). L’équipe du CEA-List participe à l’évaluation de machines analogiques et des machines à portes sur plusieurs classes de problèmes d’optimisation, de résolution de systèmes linéaires et de factorisation.
• Le CNRS, par l’intermédiaire du laboratoire MajuLab, définit, teste et promeut l’efficacité énergétique de machines quantiques simples à portes, en se concentrant sur le niveau algorithmique indépendant du matériel. La contribution comprend le développement d’un module de simulation et son utilisation pour optimiser l’efficacité énergétique. La promotion et l’acceptation du benchmark bénéficieront directement de la forte implication de l’équipe CNRS, qui dirige le groupe de travail Quantum Energy Initiative récemment lancé par l’IEEE, pour proposer une norme sur l’efficacité énergétique de l'informatique quantique.
• Teratec participe à l’établissement des relations avec l’écosystème afin de promouvoir le projet. À ce titre, Teratec engage des consultations avec les acteurs industriels, les utilisateurs finaux et les fournisseurs de technologies. Teratec noue un dialogue et promeut la coopération à l’échelle européenne et internationale, notamment concernant les initiatives similaires en matière de benchmarking. 
• Le LNE est le coordinateur du programme MetriQs-France, le programme national des référentiels de mesure, de l’évaluation et de la normalisation des technologies quantiques, qui s’inscrit dans le cadre de la Stratégie nationale sur les technologies quantiques. Le LNE développe les relations avec les parties prenantes, assure la promotion et l’exploitation, notamment en métrologie et normalisation. Le LNE met à profit son expertise dans le développement et la mise en œuvre de méthodes de mesure de référence. Par ailleurs, grâce à son statut de tiers de confiance, il garantit l’impartialité et l’indépendance des benchmarks.

Résultats

Les retombées de BACQ seront principalement de nature scientifique et socio-économique.

• Sur le plan scientifique, le projet participera à développer les compétences et l’expertise française sur le calcul et la simulation quantiques : connaissance des machines quantiques, des algorithmes et de la programmation. 
• L’établissement d’un classement des machines quantiques en fonction de leur utilité applicative permettra un impact maximum du projet. L’évaluation fiable et rigoureuse des calculateurs quantiques permettra aux fournisseurs de technologies d’améliorer les performances des machines et aux utilisateurs finaux industriels, laboratoires, gouvernements) de développer des usages sur une base réaliste. 
• Au-delà, le développement des performances du calcul quantique et de la simulation quantique permettra l’accomplissement de progrès scientifiques, par exemple en ce qui concerne la science des matériaux, la chimie ou la physique du solide.
• Le projet contribuera à une crédibilisation des applications du calcul quantique et de la simulation quantique et par conséquent à leur adoption industrielle, stimulant ainsi la croissance du marché associé. 
• La filière industrielle française des technologies quantiques, calcul et simulation quantiques inclus, en sera la première bénéficiaire, ce qui lui permettra de maintenir son avantage concurrentiel et de prendre des parts de marché significatives dans la durée.

À terme, le projet BACQ mettra à disposition des utilisateurs, en accès libre, un jeu de benchmarks de référence à mettre en œuvre sur tout type de calculateur quantique.

L’ensemble des publications scientifiques liées au projet BACQ est disponible sur la plateforme HAL MetriQs-DEV-France.