MonarQ : Le Quantum Québécois - Exploration des Frontières de l'Informatique Quantique

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0:02Sacha: Suzanne Talon, la directrice générale de Calcul Québec. Depuis plus de 13 ans, Suzanne joue un rôle crucial dans le soutien à la recherche québécoise grâce à des infrastructures numériques de pointe et une équipe hautement qualifiée. Sous sa direction depuis octobre 2017, Calcul Québec a continué de fournir des ressources essentielles à des milliers de chercheurs et chercheuses, non seulement au Québec, mais aussi à travers le Canada. Calcul Québec est une organisation à but non lucratif qui est au cœur de la recherche scientifique grâce à ses puissants super ordinateurs, Beluga et Narval. Suzanne, c'est vraiment un plaisir de t'avoir avec moi aujourd'hui, bienvenue. Bonjour Sacha. Peux-tu nous expliquer c'est quoi un ordinateur quantique et en quoi il diffère des ordinateurs plutôt classiques?

0:49Guest: D'accord. Donc l'ordinateur classique, on va commencer par l'ordinateur classique. La base de l'ordinateur classique, c'est des 0 et des 1, des bits. Et toute l'information est codée en fait de manière binaire. Dans un ordinateur quantique, la base de l'information, c'est un qubit qui est un objet quantique, un objet qu'on étudie en physique en fait depuis un siècle déjà en fait. Et la particularité du qubit par rapport au bit, c'est qu'il peut être à la fois dans l'état 0 et 1 en même temps. En fait, c'est un espèce de continuum d'état. Et toute la puissance de l'ordinateur quantique vient de là, vient du fait que parce qu'on a une espèce de continuum d'état, on peut faire en fait une infinité de calculs en même temps. Donc ça, c'est un peu l'ordinateur quantique à très, très haut niveau. La chose qu'il faut savoir par contre, c'est que même si on est capable d'avoir une espèce d'infinité de calculs en même temps, c'est quand même une vision théorique.

1:55Mais à la fin, on va quand même avoir un seul résultat, une seule réponse. Donc on fait plein de calculs, mais on a une seule réponse. Donc l'ordinateur quantique, ce que ça veut dire, c'est que ça va être très intéressant dans cette catégorie de problèmes. On va revenir un peu là-dessus tantôt. Ce qu'il faut savoir, c'est que l'ordinateur quantique ne va jamais remplacer l'ordinateur classique. C'est vraiment quelque chose qui va être complémentaire. Donc on pourrait le voir en informatique, on va peut-être appeler ça un coprocesseur mathématique. Donc il y a certaines opérations qui vont être très intéressantes à faire sur un ordinateur quantique. On va les envoyer là. Et le reste, ça pourquoi les ordinateurs classiques sont très bons, on va continuer à faire sur un ordinateur classique. Il y a une des meilleures analogies que j'ai entendues pour comparer un peu les deux, c'est celle d'un labyrinthe. Donc, en fait, du labyrinthe ou d'un voyage en voiture. Donc, en fait, on va comparer une voiture de course, une Formule 1 super performance, et une Montgolfière.

3:01Alors si le problème que tu as à faire, c'est d'aller de Montréal à Québec, la façon la plus efficace, ça va être d'avoir une voiture de course qui va super vite. Tu te montes sur l'autoroute et hop, tu te rends de Montréal à Québec. En supposant qu'il n'y a pas trop de trafic, évidemment. Mais bon, dans un monde idéal, voilà, ça va être ce qu'il va y avoir de mieux. Si le problème maintenant que tu as, c'est de trouver le centre d'un labyrinthe, un labyrinthe super complexe avec plein de chemins, ta voiture de course ne va pas être super utile parce que tu vas passer ton temps à rentrer, puis à freiner, puis à tourner, puis autant avoir une Lada qu'une Formule 1 à ce moment-là. Par contre, si tu as le Montgolfière, tu vas t'élever dans les heures, tu vas regarder et tu vas aller te déposer directement au centre du labyrinthe. Donc ça, c'est une très bonne analogie pour comparer un ordinateur classique et un ordinateur quantique. Ça nous dit plusieurs choses. Ça nous dit que le fonctionnement de ces deux ordinateurs est complètement différent. Et ça nous dit aussi que selon le problème qu'on a à traiter, on va choisir l'un ou l'autre. Et dans beaucoup de cas de réelles applications, en fait, on a besoin des deux.

4:06Et donc, tout l'intérêt, c'est de travailler en complémentaire.

4:13Sacha: Récemment, vous avez annoncé la venue de Monarch, qui est un nouveau ordinateur quantique. Qu'est-ce qui rend Monarch unique par rapport aux autres ordinateurs quantiques qui sont actuellement disponibles?

4:26Guest: Donc, en ce moment, en fait, on est vraiment dans les, je dirais tout à fait les belbuciements. On est dans une phase de croissance en informatique quantique. L'informatique quantique commence à sortir des laboratoires universitaires. Donc, on commence à avoir des ordinateurs qui ne sont pas super bons, mais sur lesquels on peut commencer à vraiment travailler, faire des calculs et tout. Et il y a beaucoup de technologies concurrentes, en fait, des atomes refroidis, des systèmes optiques et des ordinateurs supraconducteurs. Donc, Monarch se classe dans la catégorie ordinateurs supraconducteurs, ce qui est la même catégorie que les ordinateurs d'IBM, par exemple, d'Ordinateurs de Google. Et donc, en termes de technologies, il y a plusieurs fabricants, en fait, qui ont des technologies différentes et qui sont toutes en train de progresser. Il y a des problèmes avec chacune des technologies pour le passage à l'échelle, pour la qualité des qubits, etc.

5:32Bon, qu'est-ce qui rend Monarch unique? Monarch, c'est un ordinateur qui a été fabriqué au Québec. Donc, pour nous, c'est très intéressant de le mettre de l'avant. Par contre, ce n'est pas l'ordinateur le plus gros ni le plus performant, mais au point où on en est, c'est vraiment un objet qui va nous permettre quand même d'avancer dans différents domaines.

5:58Sacha: Est-ce que tu voudrais montrer à quoi ressemble un ordinateur quantique pour ceux qui n'en ont jamais vu un? Je

6:06Guest: voulais vous montrer à quoi ressemble Monarch et montrer un peu les différentes composantes. Donc, Monarch, c'est un ordinateur qui a été conçu pour installer dans un centre de données. Donc, il existe vraiment en tant que produit fini. Donc, c'est un cube de 11 pieds de côté qu'on voit ici. C'est vraiment le vrai ordinateur tel qu'installé dans la salle des serveurs. Donc, on voit quatre composantes à Monarch. Donc, je l'ai déjà dit, Monarch, c'est un ordinateur basé sur des qubits supraconducteurs. Supraconductivité égale froid. Donc, c'est un ordinateur qui va fonctionner à moins 273 degrés Kelvin, en fait, vraiment près du zéro absolu. Donc, ça, c'est la première chose qu'il faut savoir. Est-ce que ça implique? Ça implique qu'on doit avoir un module de refroidissement. Donc, ce qu'on voit ici à gauche, le grand cylindre.

7:10En fait, tu vois, quand on voit des photos d'ordinateurs quantiques, on voit une espèce de chandelier doré qui est magnifique. C'est un objet vraiment magnifique. Et dans la réalité, quand l'ordinateur fonctionne, on ne peut malheureusement pas voir cet objet magnifique. Parce que cet objet magnifique, c'est ce qui doit être refroidi. C'est ce qu'il y a à l'intérieur du cylindre. Donc, à la dernière du cylindre, on a, en fait, dans le chandelier, on a différents étages. Puis, à chaque étage, on va être de plus en plus froid. Donc, ça, c'est des... ça s'appelle un cryostat. C'est des systèmes assez classiques dans les laboratoires de physique du solide. C'est une technologie qu'on connaît depuis longtemps. Donc, à chaque étage, il faut faire de plus en plus froid. Et on va être aussi de plus en plus dans le vide. Parce que si on veut maintenir... si on veut maintenir le froid, en fait, on doit être dans le vide. Si on a des trous de conduction par... de conduction thermique par les particules à l'intérieur. Donc, on a notre cryostat. Puis, tout en bas de ça, on a un circuit supraconducteur.

8:15On a nos cubites comme tels, qui est un tout petit circuit qui fait quelques centimètres par quelques centimètres. Donc, on a ce gros cube de 11 pieds de côté pour alimenter ce petit circuit de quelques centimètres de haut. Donc, ça, c'est le module ici qu'on voit, un peu le module principal. À droite, ici, sur Monarche, on voit ici un peu en plus gros, c'est le module, en fait, pour faire le vide. Donc, c'est des pompes. Premièrement, des pompes très, très classiques, comme ce qu'on a n'importe où. Et puis, après, des pompes un peu plus spécialisées. Encore une fois, des pompes un peu comme ce qu'on peut trouver dans le laboratoire de physique pour vraiment faire un vide très important qui va fonctionner avec de l'hélium 3. Alors là, on va rentrer en dehors de mon champ de compétences. Mais c'est vraiment des technologies qui sont assez bien connues. Ensuite, on a les deux modules derrière. Un module électronique. Donc, en fait, pour être capable de parler avec nos qubits, évidemment, au bout, on a un ordinateur classique sur lequel un être humain normal est capable de programmer.

9:17Et c'est envoyé à des modules électroniques qui vont transformer l'information en pulse micro-onde, en fait. Donc, il y a un câble micro-onde qui va partir de derrière et qui va venir dans le cryostat pour envoyer les informations, pour être capable de parler avec la pulse quantique. Puis, le dernier module ici qu'on a derrière, c'est un module de communication pour relier Monarch aux autres ordinateurs qui sont gérés par Calcul Québec. Les ordinateurs de calcul en performance, Bilou Gain-Arval, qui sont juste à côté, en fait. Voilà.

9:51Sacha: Super, merci. Tu as mentionné aussi que cet ordinateur, donc Monarch, il est dans un centre de données, dans un centre de serveurs, je pense. Monarch contribue au paysage, justement, de la recherche, de l'innovation. On sait qu'on a quand même un tech hub ici à Montréal aussi. Et comment est-ce que Calcul Québec prépare-t-il des chercheurs ou les chercheuses, ou même les professionnels de l'industrie à travailler avec ce genre de technologie?

10:26Guest: Il y a quatre axes principaux dans le projet de recherche relié à Monarch. Alors, le premier, c'est ce qu'on appelle le calcul des burides. Donc, j'ai déjà mentionné, ce qu'on veut, c'est vraiment être capable d'utiliser l'ordinateur quantique et le classique, chacun pour là où ils sont les plus performants. Ça, ce que ça veut dire, c'est qu'il faut que l'ordinateur quantique parle avec l'ordinateur classique et de manière efficace. Et c'est pas aussi simple, en fait, que juste prendre un fil puis connecter les deux ordinateurs. Donc, il y a beaucoup, beaucoup de choses à examiner pour faire ça efficacement. Il faut étudier comment transférer les données de manière efficace en réduisant la latence, qui est un problème très classique qu'on a en calcul de haute performance. Mais cette fois-ci, c'est entre deux ordinateurs qui ne parlent pas tout à fait la même langue. Quand on a un processeur quantique, Bonnarx, c'est entre guillemets un assez petit ordinateur quantique.

11:28On a 24 qubits, l'ordinateur d'IBM, par exemple, en 127, mais on n'a pas nécessairement besoin de tous les qubits en même temps pour tous les problèmes. Donc, est-ce qu'on est capable d'avoir deux utilisateurs en même temps qui font chacun leur calcul sur leur moitié de processeurs quantiques? L'autre chose, on passe notre temps à alterner entre l'ordinateur classique et l'ordinateur quantique. Donc, ça, c'est ce qu'on appelle un problème d'ordonnancement, quelque chose de performance. Est-ce qu'il y a moyen de, bien, pendant que toi, Sacha, t'utilise l'ordinateur classique, pour aller utiliser l'ordinateur quantique et vice versa, histoire de vraiment optimiser l'utilisation de l'ordinateur. Finalement, un problème, un problème, en fait, dont très, très, très peu de personnes sont conscientes, les formats binaires. Les formats binaires utilisés dans différents champs d'application sont différents. Alors déjà, les binaires de CPU et les binaires des GPU, on parle d'intelligence artificielle, ces formats binaires-là, ce ne sont pas les mêmes.

12:31Et les informaticiens ont créé un nouveau format pour combiner, en fait, ces deux binaires-là, pour être capable de parler soit au CPU, soit au GPU de manière efficace. Alors, il n'y a personne qui connaît ça, à part quelques geeks vraiment finis. Moi, je ne connaissais pas ça avant, il y a trois, quatre semaines que je parle avec des spécialistes de la chose. En fait, on a le même problème avec le quantique. Donc, établir un nouveau format standard, puis là, on parle de standards internationaux. Donc, on commence à parler du besoin de collaboration internationale, etc. Donc, les problèmes sont très, très importants en termes d'être capable de faire du calcul hybride. Le deuxième axe, c'est la recherche. Et là, c'est un peu là où nous, on devient juste un fournisseur de services. C'est rendre monarque accessible à la communauté et puis être capable de, tout à fait comme ce qu'on fait pour le calcul de la haute performance, être là pour accompagner les chercheurs dans leur utilisation, pour s'assurer qu'ils savent comment l'utiliser et comment l'utiliser de manière efficace.

13:36Le troisième volet, c'est celui de la formation, évidemment. Rendre l'infrastructure disponible, c'est une chose, mais bon, on a besoin de commencer par apprendre le B.A.B.A. Donc, il y a beaucoup d'organisations qui font ça, mais nous, on va vraiment offrir la formation qui va être axée sur comment utiliser Monarque pour la communauté de la recherche. Le dernier point, où là, on est moins centraux, mais on va essayer de, on a fait beaucoup de vulgarisation scientifique à Calvary du Québec. Donc, notre objectif, c'est vraiment d'être en partenariat avec tous les organisations, tous les organismes qui font de la vulgarisation grand public, ou moins grand public, pour être capable de partager l'information sur Monarque. Un peu comme ce qu'on fait aujourd'hui, en fait.

14:26Sacha: Super. Quelles sont certaines des applications les plus prometteuses de l'informatique quantique que Monarque permet ou permettra?

14:37Guest: Oui, bon, on va tout de suite. L'informatique quantique, on est encore dans les bels bûs-ciments. On est un peu comme à l'époque de l'Eniac, ou en quelques autres performances. On est encore en train de chercher nos marques. Donc, demain matin, il n'y a pas d'application, il n'y a pas d'avantage scientifique ou commercial à avoir un ordinateur quantique. Donc, on est vraiment dans l'idée de former, de comprendre, de savoir comment ça fonctionne, pour que dans 5 ans, 10 ans, 20 ans, ce chiffre-là est encore assez inconnu. Différentes personnes vont vous donner différentes raisons. Ça va être utile. Alors, si je reviens à ce que j'ai dit au début, l'ordinateur quantique est capable de faire une multitude de problèmes, mais il va nous donner une seule réponse. Donc, typiquement, ça veut dire que ça va être utile dans tout ce qu'on appelle les problèmes d'optimisation.

15:39Dans un problème d'optimisation, on a plein de variables, on a un problème complexe, mais le problème classique du voyageur de commerce, quelle est la meilleure façon, ou le problème d'Amazon, quelle est la meilleure façon d'aller livrer 3 millions de colis à 1 million d'adresses, etc., pour être le plus efficace possible. Et je ne veux pas savoir les milliers de réponses possibles. Je veux connaître seulement la meilleure réponse. Donc, ça, ça nous dit déjà un peu quels vont être les genres de problèmes pratiques qu'on va résoudre avec ça. Donc, c'est les problèmes de logistique, les problèmes de transport. Ça peut être dans le contrôle aérien, en finance. On peut avoir des problèmes d'optimisation comme ça. La deuxième catégorie de problèmes, c'est tout ce qui est compréhension des objets quantiques eux-mêmes. Donc, on pense ici beaucoup au problème de chimie, en pharmaceutique, en matériaux.

16:39Donc, où est-ce qu'on va s'intéresser? C'est vraiment les propriétés des matériaux qui dépendent de la structure atomique qui est régie par des propriétés quantiques. Donc, on peut s'imaginer qu'avec un ordinateur, qu'il y a des propriétés quantiques, en mettant nos qubits dans un état approprié, ça va beaucoup faciliter la simulation. Puis, évidemment, le dernier point, ça va être tout ce qui peut être cryptographie, communication quantique, où là, on est peut-être un peu moins dans l'ordinateur quantique comme tel, mais plus dans des technologies complémentaires.

17:16Sacha: Est-ce que tu vois que Monarche pourrait soutenir le développement des technologies de l'IA également?

17:24Guest: Donc, c'est encore une fois, on est dans les belbussissements, mais il faut commencer à tester des choses. Donc, récemment, il y a eu un partenariat annoncé entre l'Institut quantique, l'ETS et l'IVADO pour développer des algorithmes. Donc, là, on vraiment, quand on parle d'IA, on va être vraiment dans la partie où on veut comprendre comment utiliser les ordinateurs quantiques pour faire des applications, dont, entre autres, en intelligence artificielle. Il y a beaucoup de recherches qui se font là-dessus. Et donc, c'est les spécialistes des algorithmes, ça va être vraiment eux. Et après, eux vont avoir accès à Monarche et à d'autres ordinateurs pour venir tester les algorithmes. Et puis après, nous, à Calcul Québec, on va être là pour dire comment ça s'intègre avec le reste de la puissance de calcul. Donc, c'est vraiment des recherches qui demandent beaucoup de spécialités différentes, en fait.

18:22Sacha: Je sais qu'on est toujours, on est encore au tout début, mais quels impacts économiques et industriels est-ce qu'on peut imaginer suite à l'intégration, justement, d'un ordinateur quantique ou de l'informatique quantique?

18:37Guest: Oui, alors là, on va sortir vraiment de la zone de confort sur les impacts économiques. Ce n'est vraiment pas ma spécialité, mais ce qu'on peut penser quand même à moyen ou long terme, encore une fois, les impacts vont dépendre de la rapidité avec laquelle on est capable de faire des ordinateurs quantiques plus performants, en fait. Mais si on pense qu'on est capable d'améliorer la logistique, par exemple, on parle en logistique du transport, là, je ne me souviens plus des chiffres, mais les coûts de transport sont des fractions énormes des coûts des produits. Donc, si on est capable d'aller améliorer l'efficacité de ce côté-là, on a des impacts à la fois économiques et environnementaux parce qu'on serait capable de réduire les problèmes de transport, par exemple. Donc, après ça, en termes de découverte de nouveaux matériaux en médecine, en termes de nouveaux médicaments, si on est capable d'améliorer la recherche pharmaceutique ou capable d'améliorer la médecine personnalisée, on voit tout de suite que ça va être très intéressant.

19:48Il ne faut juste pas être trop pressé et penser que ça va arriver demain matin, en fait.

19:53Sacha: Il me semble que j'avais lu dans un des articles qui a été publié au sujet de Monarque que Monarque garantit que la propriété intellectuelle resterait au Canada. Est-ce que tu peux élaborer sur ce sujet et pourquoi est-ce que c'est important?

20:09Guest: Oui. Donc, en fait, ce n'est pas tant Monarque comme tel comme le fait que Monarque est géré par Calcul Québec. Et donc, Calcul Québec, une organisation en vue non lucratif qui fonctionne en partenariat avec les universités, en fait, très ancrée dans les universités. Donc, tout le modèle à Calcul Québec, c'est que les chercheurs et les chercheuses qui viennent chez nous, que ce soit pour l'informatique quantique ou l'informatique classique d'ailleurs, bien, nous, on est là comme fournisseurs de services et la propriété intellectuelle appartient complètement aux personnes qui ont fait la recherche. En ce moment, par exemple, on peut avoir des accès gratuits à des ordinateurs de Google ou d'IBM. Mais si on fait ça, bien, tout ce qu'on fait sur l'ordinateur est récupéré par Google ou IBM. Donc, un peu comme tous les outils qu'on utilise, les chats GPT et autres de ce monde ou tout ce qu'on donne à l'ordinateur, bien, voilà, ça part ailleurs.

21:11Donc, c'est quand même intéressant que l'on est dans un cadre où la propriété de ce qu'on fait va rester, va continuer à nous appartenir. Évidemment, si Calcul Québec participe au projet de recherche, bien, la propriété sera partagée. Encore une fois, dans ce cas-là, étant une OBNL québécoise, bien, ça va rester au Québec, au Canada.

21:36Sacha: Je voudrais bien parler un petit peu maintenant du futur. Quelles sont les étapes ou les prochaines étapes pour Calcul Québec et pour Monarque dans l'avancement? s'imaginer, s'attendre, j'aimerais un petit peu rêver.

21:51Guest: On peut rêver, bien, effectivement, ce sur quoi on travaille, c'est vraiment, encore une fois, tout ce qui est l'interopérabilité, s'assurer que l'ordinateur est bien intégré. Et curieusement, en fait, il n'y a pas beaucoup d'ordinateurs quantiques qui sont installés dans des salles de serveurs à travers le monde. Il y en a, ça se compte sur les voies d'une main, en fait. En Amérique du Nord, on est les seuls à avoir un ordinateur quantique dans une salle de calcul et de performance. Il y en a, il y en a deux ou trois en Europe et il y en a un au Japon qui va être mis en opération bientôt. Donc, notre objectif, c'est vraiment d'aller travailler avec nos collaborateurs internationales pour être capable de faire avancer cette question d'intégration pour rendre vraiment les ordinateurs quantiques accessibles à toute la communauté de la recherche et non pas juste à quelques chercheurs qui s'intéressent uniquement au quantique.

22:52L'idée, c'est vraiment de venir démocratiser l'outil. Évidemment, encore une fois, c'est quelque chose qui va se faire à long terme, mais l'important, c'est de commencer maintenant parce que c'est des étapes qui prennent du temps, en fait.

23:06Sacha: Suzanne, merci beaucoup. J'aimerais te laisser le plancher pour partager un ou plusieurs derniers mots sur ce podcast.

23:15Guest: Bien, moi, je dirais peut-être une invitation à tout le monde à en apprendre plus sur Quelqu'est le Québec. On est là pour la communauté de la recherche et de l'innovation, donc surtout, n'hésitez pas à venir nous voir et à nous parler de votre projet. Merci, Suzanne. Merci.