Google Willow atteint un nouveau sommet en suprématie quantique

Google a récemment annoncé le lancement de son nouveau puce supraconductrice à 105 qubits, baptisée Willow. Cette avancée a permis de réaliser une expérience de suprématie quantique qui nécessiterait pas moins de 300 millions d’années pour être simulée sur un ordinateur classique. Fait marquant, cette puce offre un aperçu de la façon dont le matériel quantique peut atteindre une tolérance aux fautes, ouvrant ainsi la voie à une évolutivité prometteuse.

En résumé, Willow, présentée dans une publication de Nature, démontre la possibilité de combiner des qubits physiques en un qubit logique, ce qui fait que le taux d’erreur au niveau du qubit logique diminue avec l’augmentation du nombre de qubits physiques :

Nous avons testé des ensembles de plus en plus grands de qubits physiques, en passant d’une grille de 3×3 à 5×5, puis à 7×7 — et à chaque fois, grâce à nos dernières avancées en correction d’erreurs quantiques, nous avons pu réduire le taux d’erreur de moitié.

Pour que cela soit envisageable, il est essentiel d’être “en dessous du seuil”, ce qui signifie que le taux d’erreur au niveau des qubits physiques doit être inférieur à un seuil donné. C’est cette condition qui permet au taux d’erreur logique de diminuer de manière exponentielle avec l’ajout de qubits physiques.

En commentant cette annonce, Scott Aaronson a souligné que bien que ce ne soit pas une révolution, cette avancée est l’aboutissement de 30 années d’efforts vers une tolérance aux fautes en informatique quantique, franchissant un seuil important qui permet de présager un futur où “les qubits logiques [seront] préservés et manipulés pendant fondamentalement des durées arbitraires, rendant possible le calcul quantique à grande échelle”.

Il convient de noter que le résultat de Google ne concerne qu’un seul qubit logique. De plus, bien qu’il démontre que les qubits logiques peuvent être augmentés tout en réduisant le taux d’erreur, il ne prouve pas qu’un taux d’erreur suffisamment bas a été atteint. En effet, le taux d’erreur logique de Willow est de l’ordre de 10^-3, tandis qu’Aaronson souligne que Google vise un taux de 10^-6 avant de revendiquer la création d’un qubit véritablement tolérant aux fautes.

Pour mieux comprendre la pertinence des résultats d’aujourd’hui, il est crucial d’appréhender la direction que prend l’informatique quantique et son état actuel, comme l’explique Aaronson :

Pour exécuter l’algorithme de Shor à une échelle significative, nous savons depuis des décennies qu’il faudra une correction d’erreurs, qui (tel que nous le comprenons actuellement) entraîne un coût massif, de l’ordre de plusieurs centaines de qubits physiques par qubit logique. C’est précisément pourquoi Google et d’autres s’efforcent de démontrer les éléments constitutifs de la correction d’erreurs (comme le code de surface), ainsi que des démonstrations impressionnantes réalisables sans correction d’erreurs (bien que celles-ci ressemblent davantage à du RCS et de la simulation quantique qu’à de la factorisation).

En parallèle, on estime actuellement qu’il faudra au minimum 1730 qubits logiques pour résoudre le problème de Schor. Bien que cela puisse paraître décourageant, cela rassurera sans doute ceux qui craignent que la cryptographie classique soit sur le point d’être compromise.

Un autre fait majeur de Willow est qu’elle a effectué une expérience basée sur l’échantillonnage aléatoire de circuits (RCS) en moins de 5 minutes, repoussant ainsi la limite de la suprématie quantique.

Les performances de Willow sur ce critère sont incroyables : elle a réalisé un calcul en moins de cinq minutes, un processus qui prendrait à l’un des superordinateurs les plus rapides d’aujourd’hui environ 10²⁵ ou 10 septillions d’années. Pour être exact, cela équivaut à 10 000 000 000 000 000 000 000 000 ans. Ce chiffre hallucinant dépasse les échelles de temps connues en physique et est largement supérieur à l’âge de l’univers.

Selon Hartmut Neven, responsable de Google Quantum AI, le RCS peut être considéré comme un moyen très basique de vérifier qu’un ordinateur quantique effectue une calcul qui ne peut être réalisé sur un ordinateur classique. Toutefois, cela ne sert qu’à calculer une distribution aléatoire sans valeur spécifique, qui est justement très difficile à simuler pour un ordinateur classique, et pour laquelle un algorithme classique plus efficient pourrait être trouvé, selon la physicienne et communicante scientifique Sabine Hossenfelder.

De plus, en raison du temps nécessaire pour valider les résultats sur du matériel classique, la validation par Google repose nécessairement sur des extrapolations, et les sceptiques pourraient faire valoir que la réduction du taux d’erreur proclamée n’est que partiellement vraie. Comme le souligne Aaronson, cela met en relief l’importance de concevoir des expériences quantiques vérifiables de manière efficace à court terme.

Pour ceux qui souhaitent approfondir les critiques des revendications de Google à propos de Willow, l’analyse de l’informaticien israélien Gil Kalai est à ne pas manquer.

Il ne fait aucun doute que le chemin à parcourir pour l’informatique quantique est encore long. Comme l’explique Neven, le prochain défi pour Google consiste à créer une puce intégrant des milliers de qubits physiques avec un taux d’erreur de 10^-6, puis à concevoir la première porte logique incluant deux qubits logiques. Enfin, il s’agira de développer le matériel pour permettre des calculs utiles.