La percée quantique de Google : un exploit exceptionnel et ses implications futures

Ce mois-ci, les scientifiques en informatique quantique de Google ont présenté des avancées majeures dans un domaine qui semble de plus en plus prometteur, confirmant ainsi que l’informatique quantique pourrait trouver sa place parmi d’autres types d’ordinateurs comme une ressource précieuse.

Cependant, beaucoup reste à faire : le dernier processeur quantique de Google, baptisé Willow et fabriqué dans son centre de recherche à Santa Barbara, n’est actuellement qu’une puce mémoire. Il ne traite pas d’opérations, mais permet simplement de stocker des informations à lire ultérieurement. Pour l’utiliser, il faudra développer des circuits logiques adaptés aux « qubits » qui composent la puce.

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La percée fondamentale, expliquée dans le magazine Nature (qui a publié l’article de recherche préliminaire de Google), réside dans la capacité à réduire les erreurs des qubits en dessous d’un seuil de bruit tel que la machine peut représenter l’information de manière fiable, c’est-à-dire avec un niveau d’erreur tolérable.

À titre de comparaison, pour créer un « bit » d’information quantique, il est nécessaire de combiner plusieurs qubits physiques, pouvant être fabriqués à partir de différents matériaux. Willow est un prolongement de la puce Sycamore de l’année dernière, toutes deux utilisant une forme de condensateur supraconducteur refroidi à des températures très basses, nommée « Transmon », développée à l’Université de Yale il y a 20 ans.

Grâce aux Transmons, les chercheurs de plusieurs institutions, pas seulement de Google, progressent depuis des années dans la combinaison de plusieurs qubits pour former un « qubit logique ». Un qubit physique a une durée de vie très courte, de l’ordre de quelques millisecondes, ce qui limite son utilisation immédiate pour le décodage de l’information par la machine quantique.

Le qubit logique, qui est un résumé des qubits physiques, peut perdurer suffisamment longtemps pour que sa valeur devienne lisible et utile.

Le défi consiste à atténuer les erreurs causées par le bruit environnemental. Trop de bruit rend le qubit logique inutilisable. Des méthodes de correction d’erreurs ont été développées, mais la découverte de Google reste la première à réduire les erreurs individuelles des qubits physiques en dessous d’un niveau suffisant pour produire un qubit logique fonctionnel, c’est-à-dire au-dessous du seuil nécessaire.

La clé de la puce Willow, qui porte le nombre de qubits physiques à 105, réside dans diverses améliorations apportées à sa fabrication, permettant de réduire le bruit de chaque qubit physique. Comme le souligne Rajeev Acharya, l’un des auteurs principaux, “chaque fois que la distance du code augmente de deux, l’erreur logique par cycle est réduite de plus de la moitié”.

C’est prometteur car des qubits logiques fiables peuvent être scalés ; en d’autres termes, il est possible d’ajouter plusieurs qubits physiques tout en maintenant le bruit en dessous du seuil, et ainsi obtenir des qubits logiques fiables et prévisibles.

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Ce qui est particulièrement significatif, c’est que le « scaling » a été la percée fondamentale des puces informatiques traditionnelles, permettant d’assembler des milliards de transistors sur un carré de silicium pour créer des circuits de plus en plus puissants. Si l’on parvient à ajouter de manière fiable des qubits physiques, on peut envisager la création de circuits logiques de qubits de la même manière, avec des capacités accrues.

La couverture des annonces de Google concernant Willow dans le magazine Nature et son compétiteur Science cite de nombreux experts du domaine. Comme le souligne l’article de Nature, il s’agit d’une véritable percée remarquable.

Cependant, il convient de garder à l’esprit le chemin qu’il reste à parcourir. Pour commencer, cette avancée concernant l’erreur seuil ne signifie pas que les efforts pour réduire les erreurs soient considérés comme terminés. Le scalage des taux d’erreur devra atteindre un niveau de précision bien supérieur pour les qubits logiques dans la pratique, comme le souligne Acharya et son équipe.

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« Il reste des ordres de grandeur entre les taux d’erreur logiques actuels et les exigences pour une computation quantique pratique », écrivent-ils. Par exemple, des “événements d’impact à haute énergie” peuvent se produire dans l’environnement environnant, “environ une fois toutes les dix secondes”, ce qui nuit à l’opération fiable et exempte d’erreurs des qubits logiques.

En d’autres termes, même si la possibilité de réduire les qubits logiques est une avancée significative, cela signifie juste que les chercheurs ont encore un long chemin à parcourir pour réaliser cette scalabilité tant sur des puces plus grandes (plus de Transmons), que dans l’amélioration des méthodes de détection et d’atténuation des erreurs logiques. Google affirme avoir une feuille de route pour y parvenir.

Au-delà de la question de la scalabilité, il y a la limitation actuelle du type de dispositif : il ne s’agit pas encore d’une puce informatique à proprement parler.

Le qubit logique de Willow équivaut à un condensateur : il stocke une information sans effectuer d’opérations. Pour cela, il devra être étendu pour combiner plusieurs qubits logiques en opérations logiques telles que l’addition et la multiplication. (La forme exacte des opérations logiques pour un processeur quantique pourrait être plus complexe, mais le principe reste le même.)

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Comme l’indique John Preskill, physicien théoricien à l’Institut de Technologie de Californie à Pasadena, “Nous voulons exécuter des opérations protégées sur les qubits, pas simplement de la mémoire.” L’objectif de longue date de l’équipe de Google – réaliser des opérations concrètes – est de créer une puce à un million de qubits, soit un million de qubits physiques, pour disposer d’assez de qubits logiques pour être reliés et former de vrais circuits pour une véritable computation.

Le chemin pour parvenir à créer de véritables circuits, constitués de collections de qubits logiques capables d’opérer, est encore long. Cela concerne à la fois la puce physique et le logiciel qui permettra de faire fonctionner des ordinateurs quantiques. Probablement que les langages de programmation actuels comme C++ et Python ne suffiront pas.

Il s’agit assurément d’une percée, mais il convient de se rappeler tout le travail qui reste à accomplir.