Les experts en informatique quantique et en intelligence artificielle unissent leurs forces pour alimenter la prochaine révolution technologique

La fusion de l’intelligence artificielle (IA) et de l’informatique quantique est sur le point d’entraîner la prochaine révolution technologique, et le Canada ouvre la voie avec d’importants groupes d’expertise dans les deux domaines.

Dorénavant, des physiciens théoriciens de l’Institut Périmètre et des experts en IA du Québec s’associent pour accélérer les avancées. L’objectif final : créer de nouvelles techniques de simulation informatique puissantes qui feront progresser la chimie, la science des matériaux, les produits pharmaceutiques, la modélisation climatique et même notre compréhension de l’univers.

Dans la poursuite de ces objectifs et pour lancer la collaboration, l’Institut Périmètre et IVADO – un consortium de recherche, de formation et de mobilisation des connaissances en IA dirigé par l’Université de Montréal et ses partenaires universitaires au Canada – ont organisé un atelier portant sur l’informatique quantique et l’IA en novembre qui comprenait un discours liminaire de Yoshua Bengio, connu dans le monde entier comme l’un des « parrains de l’IA ».

La collaboration compte également avec la participation de deux des membres universitaires d’IVADO au Québec : l’Institut Courtois, qui réunit des chercheurs de premier plan en chimie, en physique et en informatique pour accélérer les découvertes en IA, et Mila, un centre d’intelligence artificielle au Québec formé de la plus grande concentration de chercheurs universitaires en apprentissage profond au monde.

L’atelier a été organisé à l’Institut Périmètre et dirigé par Christine Muschik, membre associée du corps professoral de l’Institut Périmètre qui est nommée conjointement à l’Institut d’informatique quantique de l’Université de Waterloo. L’équipe de soutien à la recherche d’IVADO a aidé à organiser et à financer l’atelier.

Bengio, qui est directeur scientifique à IVADO et Mila, est professeur à l’Université de Montréal. En 2018, il a remporté le prix Turing, « le prix Nobel d’informatique », avec Geoffrey Hinton (un autre Canadien de l’Université de Toronto) et Yann LeCun, scientifique en chef de l’IA chez Meta.

Ces derniers temps, il a réfléchi profondément à la façon de créer une intelligence artificielle à la fois utile et sûre. Il travaille sur ce qu’il appelle des « scientifiques de l’IA », un type d’IA qui pourrait générer de nouvelles théories, tout en assurant un alignement sûr entre l’IA et les objectifs humains. « Ce que je propose pourrait être très utile, car cela pourrait nous aider avec notre science, mais cela pourrait aussi nous aider à construire des systèmes sûrs », a déclaré Bengio lors de l’atelier.

L’intelligence artificielle est la science de la simulation de l’intelligence humaine dans des programmes informatiques. Cela implique d’introduire beaucoup de données dans un ordinateur et de le faire « apprendre » de ces données. Beaucoup de personnes connaissent le modèle ChatGPT d’OpenAI, mais il existe aujourd’hui de nombreux autres systèmes d’IA qui génèrent également du texte, des images, de la musique ou d’autres médias. L’IA trouve également des applications dans la technologie médicale, dans la détection de modèles dans les données astronomiques, dans la recherche sur l’énergie propre et dans la science des matériaux.

Il existe maintenant une course mondiale à la construction d’une intelligence artificielle générale (IAG) qui peut effectuer plusieurs tâches à la fois et même surpasser les capacités du cerveau humain. Mais il existe également un risque que les systèmes d’IA apprennent ce que nous ne voulons pas qu’ils apprennent. Bengio croit que les risques et l’énorme potentiel sont réels, et nous devons trouver un moyen d’exploiter ce potentiel tout en minimisant les risques.

« Il n’y a aucune raison de penser que l’intelligence humaine est la limite supérieure de l’intelligence », a déclaré Bengio. Cela soulève des questions philosophiques difficiles telles que : quel est le rôle des humains si ces systèmes d’IA sont plus intelligents que nous ? Il n’y a pas encore de réponses à cela, mais Bengio a déclaré en attendant : « L’IA pourrait nous aider à faire progresser notre science et à résoudre des problèmes utiles ».

Pour y parvenir, il faudra une expertise du type de celle que l’on trouve en abondance à l’Institut Périmètre.

« Les problèmes que j’essaie de résoudre nécessitent une sophistication mathématique que les informaticiens n’ont généralement pas, mais que les mathématiciens ou les physiciens sont plus susceptibles d’avoir. Il y a donc ici des possibilités de collaborations dans ce sens », a déclaré Bengio.

Le récent atelier visait à établir de nouvelles connexions de recherche entre les experts en informatique quantique et en IA.

Les scientifiques de l’Institut Périmètre Robert Spekkens et Elie Wolfe, qui travaillent sur les techniques de démêlage de la corrélation et de la causalité à partir de données statistiques, sont des exemples de chercheurs dont les travaux pourraient contribuer à l’amélioration des algorithmes pour l’intelligence artificielle.

De nos jours, les systèmes d’IA sont merveilleusement capables de reconnaître des formes, telles que la détection de tumeurs aux rayons X. L’espoir est donc que si l’IA peut devenir efficace pour comprendre les relations de cause à effet à partir de données, elle pourrait également mieux analyser la cause la plus probable de la douleur thoracique d’un patient, par exemple. C’est là que leur recherche sur l’inférence causale quantique pourrait jouer un rôle important.

« Vous pourriez penser à l’inférence causale comme un sous-domaine de l’apprentissage automatique », a expliqué Spekkens dans un entretien après la conférence. « Le raisonnement causal est l’une des pièces manquantes de nos meilleurs systèmes d’IA en ce moment. Les réseaux neuronaux et les outils d’apprentissage automatique utilisent ce que l’on appelle la théorie de la représentation causale, pour essayer d’obtenir des structures causales. Nous marchons désormais sur ce terrain et il y a un potentiel d’interactions utiles avec les chercheurs de Mila », a déclaré Spekkens.

Pendant ce temps, Roger Melko – membre associé du corps professoral de l’Institut Périmètre qui est nommé conjointement à l’Université de Waterloo et dirige le laboratoire d’intelligence quantique de l’Institut Périmètre (PIQuIL) – travaille déjà à l’intersection de la physique quantique et de l’apprentissage automatique. L’objectif est d’utiliser l’IA pour concevoir la prochaine génération d’ordinateurs quantiques, mais aussi l’inverse, car les ordinateurs quantiques pourraient contribuer à stimuler l’innovation en matière d’intelligence artificielle.

Melko a déclaré que cette collaboration avec des chercheurs en IA au Québec avait un énorme potentiel.

« Les ordinateurs quantiques ont déjà commencé à adopter sérieusement l’IA dans leur conception, leur caractérisation et leurs piles de contrôle », a déclaré Melko. « Nous passons une nouvelle frontière en matière de mise à l’échelle des ordinateurs quantiques, en nous appuyant sur des modèles de langage et d’autres technologies d’IA. »

Il a ajouté qu’il est difficile de prédire comment cette collision de l’informatique quantique et de l’IA se déroulera, « mais une chose est claire : les transformations fondamentales permises par l’interaction de ces deux technologies émergentes ont déjà commencé ».

Muschik est un exemple d’expert en simulations quantiques qui espère utiliser l’intelligence artificielle.

Dans un ordinateur ordinaire ou « classique », comme votre ordinateur portable, les signaux électriques passent par un système de portes et de circuits, ou non. Cela génère les chaînes de uns et de zéros qui constituent la base de toutes les informations binaires dans notre monde numérique actuel.

L’informatique quantique est un pas en avant. Ce type d’informatique exploite les ressources quantiques de « superposition » et d’« intrication » pour chiffrer des informations en « qubits » qui comprennent des informations dans deux états en même temps. Mais même cela est toujours binaire. La nature n’est pas si binaire, explique Muschik.

Dernièrement, elle a travaillé avec des expérimentateurs de l’Université d’Innsbruck en Autriche pour amener l’informatique quantique au-delà des « qubits » – la superposition de deux états – à des « qudits » qui exploitent des états atomiques de dimension supérieure et nous rapprocheront de la façon dont la nature calcule.

Par exemple, dans l’ordinateur quantique d’Innsbruck les informations peuvent être stockées dans des atomes de calcium piégés qui peuvent chacun avoir des particules dans pas moins de huit niveaux d’énergie différents qui peuvent être en superposition. Ainsi, la nature permet d’avoir non seulement des qubits, mais aussi des « qutrits » (superpositions à trois niveaux d’énergie) ou des ququarts (quatre niveaux) ou même plus.

Ces superpositions de dimensions supérieures – les qudits – permettent aux informaticiens quantiques de faire plus avec moins de circuits et de portes qui causent des erreurs dans les calculs quantiques.

Muschik dit qu’elle et ses collègues expérimentateurs d’Innsbruck ont récemment trouvé une approche pour contrôler les qutrits, qui donne des « résultats étonnants ». Ceux-ci sont décrits dans un article, « Simulating 2D lattice gauge theories on a qudit quantum computer » (Simulation de théories de jauge à réseau 2D sur un ordinateur quantique qudit), actuellement en préimpression. « C’est la chose la plus exaltante à laquelle j’ai participé depuis mon arrivée au Canada », a-t-elle déclaré.

Muschik et ses collègues croient que cette informatique quantique de dimension supérieure pourrait conduire à des simulations quantiques plus puissantes et plus efficaces qui s’attaqueront aux problèmes de la chimie ou de la science des matériaux. C’est là que de nouvelles collaborations avec le groupe d’intelligence artificielle de Mila au Québec peuvent intervenir.

« Avec l’aide de Mila, nous pouvons utiliser l’informatique améliorée par apprentissage automatique pour ce faire », dit-elle. « Nous aimerions explorer de nouveaux projets sous ce parapluie. »

« En unissant nos forces, espérons-le de manière cohérente, l’initiative conjointe sera bien supérieure à si elle était menée de manière séparée », a-t-elle ajouté. « Nous avons des intérêts communs à faire de nouvelles découvertes. Le moment est arrivé de le faire. »

Luc Vinet, directeur général d’IVADO, affirme que cette collaboration avec l’Institut Périmètre est naturelle et qu’elle sera puissante. IVADO a récemment reçu une subvention de 124,5 millions de dollars du Fonds d’excellence en recherche Apogée Canada pour soutenir la recherche, l’enseignement et le transfert de connaissances en intelligence artificielle.

« L’Institut Périmètre est un établissement fantastique avec des membres incroyables. Chez IVADO, nous sommes très pluridisciplinaires et nous sommes investis dans un programme très ambitieux. Il est logique que nous devions réunir tous les meilleurs talents pour atteindre nos objectifs », a déclaré Vinet.

L’Institut Périmètre favorise également le développement de jeunes scientifiques qui se démarqueront dans le domaine de l’IA et de la recherche quantique au Canada. Par exemple, William Witczak-Krempa, qui a pris la parole lors de l’atelier, a été chercheur postdoctoral à l’Institut Périmètre de 2012 à 2015, où il a travaillé sur l’application de l’intrication quantique dans le domaine de la matière quantique. Actuellement, il est membre du corps professoral de l’Université de Montréal et de l’Institut Courtois. Il est également titulaire d’une Chaire de recherche du Canada sur les transitions de phase quantique.

Witczak-Krempa a déclaré que son parcours professionnel « a été rendu possible en raison de la nature interdisciplinaire de l’Institut Périmètre ».

« Il y a tellement de choses à faire, et je pense que les physiciens joueront un rôle important car il faut comprendre la physique pour concevoir la bonne architecture », a-t-il déclaré à propos de la collaboration.

La collaboration entre l’Institut Périmètre, IVADO, l’Institut Courtois et Mila ne fait que commencer, et tout le monde a hâte de s’y mettre.

« C’était formidable d’en apprendre davantage sur les recherches menées à Montréal et de voir autant de conversations enthousiastes entre les deux groupes », a déclaré le directeur de l’Institut Périmètre, Robert Myers. « J’ai hâte de voir les activités conjointes qui émergeront de cette réunion inaugurale. »