La puce Willow de Google à 105 qubits franchit des étapes majeures en quantum

Google a réalisé de nombreux records impressionnants en matière d’informatique quantique grâce à son nouveau processeur quantique à 105 qubits, baptisé Willow. Cette performance ne surprend guère compte tenu de l’héritage de Google en matière de puces quantiques record, qui remonte à Foxtail en 2017, Bristlecone en 2018 et Sycamore en 2019.

Willow a été annoncé le mois dernier, et il est essentiel de souligner l’importance de cette recherche suite aux commentaires récents de Jensen Huang, PDG de Nvidia, selon lesquels l’informatique quantique pourrait ne pas être utile avant 20 ans. Certes, des progrès restent à faire pour atteindre la tolérance aux fautes, essentielle pour de nombreuses applications pratiques. Cependant, il convient de noter que des avancées significatives ont été réalisées dans ce domaine au cours des 12 derniers mois. Les témoignages du marché, les résultats de recherche (y compris la fidélité des qubits proche de celle requise pour la tolérance aux fautes) et les feuilles de route de nombreuses entreprises d’informatique quantique indiquent que la technologie quantique utile est beaucoup plus proche que ne le pense Huang.

Poursuivez votre lecture pour découvrir comment le nouveau processeur Willow a performé sur le benchmark d’échantillonnage aléatoire de circuits. Je vais également aborder ce qui pourrait être l’élément le plus important de ce développement pour l’avenir de la tolérance aux fautes quantiques, les résultats d’application d’un nouveau code de correction d’erreurs de surface. Pour donner plus de contexte, je partagerai également la perspective historique du Professeur John Martinis, qui a dirigé certains des travaux les plus significatifs sur les générations antérieures de puces quantiques de Google, et comment son travail a porté ses fruits — comme il l’avait prédit — avec Willow.

Améliorations matérielles et logicielles de Willow

Willow a progressé par rapport aux générations précédentes des puces quantiques de Google de plusieurs manières. Tout d’abord, l’utilisation de qubits réglables et de coupleurs dans Willow a permis d’augmenter la rapidité des portes et des opérations, contribuant ainsi à réduire les taux d’erreur. Cette rapidité permet aussi d’optimiser ou de régler le matériel en cours d’opération. Les variations dans les qubits supraconducteurs peuvent parfois entraîner des taux d’erreur élevés, mais les réglages permettent de reconfigurer et d’aligner les qubits non conformes avec d’autres qubits pour éliminer les erreurs.

Un autre aspect est la durée des états quantiques. Une des limitations majeures de l’informatique quantique a été le temps durant lequel les qubits peuvent maintenir leurs états quantiques. Willow a multiplié ce temps par 5, passant de 20 microsecondes à 100 microsecondes, permettant ainsi le traitement de problèmes plus complexes.

Un troisième avantage de Willow est que les qubits logiques de Google peuvent désormais fonctionner en dessous du seuil critique de correction des erreurs quantiques. Ce seuil provient d’une théorie élaborée dans les années 1990 et a jusqu’à présent constitué un obstacle à l’informatique quantique efficace. Cependant, dans la puce Willow, les taux d’erreur sont réduits de moitié à mesure que des qubits physiques sont ajoutés en échelle. Grâce à cela, à mesure que Google augmente la taille de son code de surface de 3×3 à 5×5 puis à 7×7, les qubits logiques encodés conservent leur cohérence plus longtemps. L’augmentation de la taille de la grille permet de corriger des motifs d’erreur plus complexes, semblable à une redondance accrue dans la correction d’erreurs classique. Cela signifie aussi que les qubits logiques peuvent maintenir leurs états quantiques plus longtemps que les qubits physiques sous-jacents.

Voilà le point le plus crucial de l’annonce de Willow : c’est le premier processeur quantique à démontrer une réduction exponentielle des taux d’erreur à mesure que le nombre de qubits augmente. Traditionnellement, l’ajout de qubits entraîne une augmentation des taux d’erreur.

D’autres facteurs nécessaires à l’informatique quantique tolérante aux fautes ont également été démontrés par les chercheurs de Google. D’une part, une performance répétable sur plusieurs heures sans dégradation est nécessaire pour exécuter des algorithmes tolérants aux fautes à grande échelle — et Willow a désormais démontré cette capacité.

Évaluation des processeurs quantiques

Google utilise l’échantillonnage aléatoire de circuits comme un benchmark continu pour comparer les nouveaux processeurs quantiques expérimentaux aux superordinateurs exécutant des algorithmes classiques. Il est important de préciser que l’échantillonnage de circuits aléatoires n’est pas utile en soi ; il ne s’agit que d’un test seuil. Mais si un système échoue à passer le test RCS, il n’y a plus de raison de le tester davantage.

Il y a cinq ans, le groupe de recherche quantique de Google a affirmé que les 53 qubits supraconducteurs de sa puce Sycamore (un qubit étant défectueux) avaient atteint la suprématie quantique — signifiant qu’elle surpassait l’informatique classique comparable. À l’époque, les chercheurs de Google affirmaient avoir pu réaliser un calcul de benchmark RCS en 200 secondes, alors qu’un superordinateur classique aurait théoriquement mis 10 000 ans à le compléter. IBM a contesté cette affirmation avec des calculs indiquant qu’un ordinateur classique pouvait atteindre les mêmes résultats. Cependant, il a finalement été admis par la communauté quantique que si Google avait utilisé ses 54 qubits, il aurait fallu à un superordinateur classique beaucoup plus de 10 000 ans pour égaler la performance de Sycamore.

Cette année, lors d’un autre test de suprématie quantique, Google a mis en compétition la nouvelle puce Willow à 105 qubits contre le même benchmark RCS que la puce Sycamore a exécuté en 2019. Willow a réussi le benchmark en moins de cinq minutes ; il a été déterminé que le meilleur superordinateur classique d’aujourd’hui nécessiterait 10 septillions d’années pour réaliser le même benchmark (soit un 1 suivi de 25 zéros). En résumé, puisque Willow fonctionne en dessous du seuil de correction d’erreurs, il peut effectuer un échantillonnage aléatoire de circuits bien au-delà de ce qui est possible avec des ordinateurs classiques.

Si vous n’êtes pas familiarisé avec l’informatique quantique, ces comparaisons peuvent sembler déroutantes au premier abord. Mais elles sont directement attribuables au nombre de qubits impliqués. La puce Willow dispose de 105 qubits, contre 53 pour Sycamore. Chaque qubit supplémentaire entraîne une augmentation exponentielle de la puissance de calcul, et non une augmentation linéaire. La différence de temps d’exécution entre les tests de 2019 et ceux menés récemment devient compréhensible dans ce contexte. Comme Willow a 52 qubits de plus que Sycamore, elle dispose de 2^52 (4,5 quadrillions) d’états computationnels supplémentaires.

En plus de l’augmentation du nombre de qubits, de nombreuses autres améliorations ont été réalisées dans les systèmes quantiques depuis 2019. Les algorithmes sont un milliard de fois plus performants grâce à une expérimentation approfondie menée par la large communauté de scientifiques en informatique de l’écosystème. De plus, les processeurs quantiques se sont sensiblement améliorés sous divers aspects, y compris la qualité des qubits.

Suite à ses résultats de benchmark en 2019, Google a publié une feuille de route avec un calendrier de 10 ans pour développer un ordinateur quantique large corrigé des erreurs avec 1 000 qubits logiques utilisant 1 000 000 qubits physiques. Comme le montre le schéma ci-dessus, la feuille de route comporte six jalons ; après son dernier exploit avec Willow, Google s’approche désormais du troisième jalon.

Pour une perspective différente sur la puce Willow, j’ai récemment discuté des réalisations de Google avec le Professeur John Martinis, qui a dirigé l’équipe de Google qui a conçu et testé la puce Sycamore. Le Professeur Martinis travaille actuellement sur une start-up quantique appelée Qoloab avec ses cofondateurs Alan Ho (un autre ancien de Google) et le Professeur Robert McDermott.

Au cours de cette conversation, je me suis rappelé des remarques du Professeur Martinis concernant un futur processeur quantique qui n’avait pas encore été développé, et qu’il avait faites pour un article publié il y a près de cinq ans. « Le plan de Google est d’environ construire un système à un million de qubits dans environ 10 ans, avec des erreurs suffisamment faibles pour effectuer la correction des erreurs, » a-t-il déclaré. « À ce moment-là, vous disposerez de suffisamment de qubits logiques corrigés des erreurs pour exécuter des algorithmes utiles et puissants que vous ne pouvez désormais pas résoudre avec un superordinateur classique. Et peut-être qu’avec quelques centaines de qubits, avec moins d’erreurs, il pourrait être possible de faire quelque chose de spécial. »

Ces remarques décrivent de manière très proche les développements réels de la puce Willow de Google.

Quand allons-nous voir des applications quantiques commerciales ?

Google pense qu’il sera en mesure de produire des applications quantiques commerciales utiles dans les cinq prochaines années ou moins. De nombreux scientifiques quantiques estiment qu’il faudra encore au moins une décennie avant que les ordinateurs quantiques puissent traiter des calculs ayant des effets sur le monde dans des domaines tels que le changement climatique, la découverte de médicaments, la science des matériaux et la modélisation financière.

Bien sûr, Google n’est pas la seule entreprise sur cette voie. De nombreuses expérimentations et collaborations sont en cours autour des qubits logiques. Un exemple notable est Microsoft, qui a mené des travaux passionnants tant avec le processeur à ions piégés H-2 de Quantinuum qu’avec le processeur à atomes neutres d’Atom Computing.

Google reconnaît qu’il reste de nombreux défis à relever. Bien que la distance maximale de code utilisée dans la recherche Willow ait été de 7, pour atteindre le taux d’erreur nécessaire à la tolérance aux fautes, un qubit logique de distance 27 serait nécessaire, ce qui exigerait presque 1 500 qubits physiques pour le créer. Pour la correction d’erreurs quantiques, une distance plus élevée signifie qu’un code d’erreur peut gérer davantage d’erreurs avant de tomber en panne. Une distance plus grande suggère que le code dispose de couches supplémentaires de vérifications et d’équilibrages capables de détecter et de réparer les erreurs avant qu’elles ne posent problèmes.

Cela n’est qu’un des nombreux défis à surmonter pour atteindre la tolérance aux fautes. Bien que certains pensent que le calendrier de Google est trop optimiste, je crois que l’entreprise est sur la bonne voie. Dans cinq ans, la tolérance aux fautes sera beaucoup plus proche. Et des applications quantiques commerciales utiles, sous une forme ou une autre, devraient être tout à fait réalisables.