En 2019, Google annonçait la suprématie quantique avec sa puce Sycamore de 53 qubits (des bits quantiques). Le géant du Net annonçait qu’elle avait « effectué un calcul en 200 secondes qui prendrait 10 000 ans au supercalculateur le plus rapide du monde ». IBM réfutait dans la foulée, affirmant qu’une « simulation idéale de la même tâche pouvait être effectuée sur un système classique en 2,5 jours et avec une fidélité beaucoup plus grande ».

• « Suprématie quantique » chez Google ? IBM réfute, Intel regarde ailleurs
• [FAQ] Notre antisèche sur l’informatique quantique

Cinq ans plus tard, la société de Mountain View revient sur le devant de la scène avec une nouvelle puce quantique présentant deux fois plus de qubits, nom de code Willow. Le géant du Net explique avoir largement amélioré sa correction d’erreur.

Les deux principaux atouts de Willow

Tout d’abord, « Willow peut réduire les erreurs de manière exponentielle alors que nous utilisons de plus en plus de qubits », affirme Google. Rappelons qu’il n’y a pas que le nombre de qubits qui est important pour les supercalculateurs quantiques. Le nombre de portes quantiques qu’un système peut passer, la durée de vie des qubits et la correction des erreurs le sont tout autant pour arriver à un système viable et équilibré.

• Informatique quantique : IBM rappelle qu’il n’y a pas que les qubits dans la vie

Ensuite, la puce a réalisé un benchmark de référence « en moins de cinq minutes, alors que cela prendrait à l’un des supercalculateurs les plus rapides d’aujourd’hui [Frontier, 2ᵉ du classement Top500 des supercalculateurs, ndlr] 10²⁵ années, un nombre qui dépasse largement l’âge de l’Univers ». C’est de la théorie pour le moment et les applications pratiques se font encore attendre.

Plus de qubits et moins d’erreurs

Google revient sur les erreurs liées au fonctionnement des qubits : « En règle générale, plus vous utilisez de qubits, plus des erreurs se produisent et le système devient classique ». Les qubits doivent pour rappel être maintenus dans un état quantique (intrication), et ce n’est pas simple. En cas d’effondrement (on parle aussi de décohérence), il n’y a plus de qubits et donc plus de « magie » quantique sur les calculs.

Dans une publication scientifique dans Nature (également sur ArXiv), Google donne des explications : « Plus nous utilisons de qubits dans Willow, plus nous réduisons les erreurs et plus le système devient quantique ». Pour Hartmut Neven (fondateur et dirigeant de Google Quantum AI, auteur du billet de blog), « les erreurs sont l’un des plus grands défis de l’informatique quantique ».

En théorie, c’est logique : plus il y a de qubits physiques pour former un seul qubit logique, plus les chances d’avoir des erreurs s’amenuisent. C’est vrai tant que le taux d’erreur des qubits physiques n’est pas trop élevé. Dans le cas contraire, multiplier des qubits physiques ne ferait qu’aggraver les performances de l’ensemble.

Qubits logiques vs qubits physiques

Minute, c’est quoi ces histoires de qubits logiques et physiques ? Pour rappel, les fabricants assemblent depuis longtemps des qubits physiques pour former un seul qubit logique, plus stable, utilisé pour les calculs.

Un seul qubit logique peut combiner des dizaines, centaines et même milliers de qubits physiques. C’est pour cela qu’il faut se méfier des effets d’annonce des fabricants à grands coups de « qubits ». Pour simplifier, les qubits logiques sont ceux réellement disponibles pour les calculs, quand les constructeurs mettent souvent en avant les qubits physiques.

Sur la durée de vie des qubits, Google annonce aussi des avancées : « les réseaux de qubits ont une durée de vie plus longue que les qubits physiques individuels, une preuve incontestable que la correction d’erreurs améliore le système dans son ensemble ». Selon Google, la durée de vie d’un qubit logique « est plus de deux fois supérieure à celle de son meilleur qubit physique ».

Google détaille son propos dans son billet de blog :

« Nous avons testé des réseaux de plus en plus grands de qubits physiques, passant d’une grille de qubits en 3 × 3 à une grille de 5 × 5, puis à une grille de 7 × 7. À chaque fois, grâce à nos dernières avancées en matière de correction d’erreurs quantiques, nous avons pu réduire le taux d’erreur de moitié. En d’autres termes, nous avons obtenu une réduction exponentielle du taux d’erreur ».

On plonge dans l’agencement des 105 qubits de Willow

Willow intègre 105 qubits, répartis ainsi selon le graphique ci-dessous. Chaque qubit est en contact avec 3,47 voisins en moyenne, c’est-à-dire avec d’autres qubits avec qui il peut échanger des informations. La plupart des qubits ont quatre liaisons, certains (sur les bords) en ont moins.

Les caractéristiques techniques de Willow

Dans un tableau (plus bas), Google donne des indicateurs sur les caractéristiques techniques et les performances de Willow, dans deux configurations.

Le taux d’erreur sur une porte à un qubit est de 0,035 % environ, alors qu’il passe entre 0,14 et 0,33 % avec des portes à deux qubits. Les erreurs sur les mesures sont entre 0,67 et 0,77 % de moyenne. Par rapport à Sycamore, Google revendique des taux d'erreur « environ vingt fois meilleurs ».

Google donne la durée moyenne pendant laquelle les qubits conservent les informations : entre 68 et 98 μs (microseconde, ou 10⁻⁶ secondes), contre 20 μs sur la puce Sycamore. Enfin, le « measurement rate » exprime le nombre d’opérations qu’il est possible de réaliser par seconde.

Google arrive premier sur un benchmark de… Google

Pour mesurer les performances de sa puce, Google utilise son benchmark maison Random Circuit Sampling (RCS). Après tout, on n’est jamais mieux servi que par soi-même. Selon l’éditeur, ce benchmark « vérifie si un ordinateur quantique réalise une tâche qui ne pourrait pas être faite sur un ordinateur classique ».

Si Google en parle, c’est que la réponse est oui : Willow « a effectué un calcul en moins de cinq minutes, alors qu’il prendrait à l’un des supercalculateurs les plus rapides d’aujourd’hui 10²⁵ ou 10 000 000 000 000 000 000 000 000 années », soit plus que l’âge de l’Univers (13 800 000 000 années).

Et là, on perd un peu Google dans ses conjectures : « Cela donne du crédit à l’idée que le calcul quantique se produit dans de nombreux univers parallèles, conformément à l’idée que nous vivons dans un multivers, une prédiction faite pour la première fois par David Deutsch ».

Google en quête de suprématie sur un calcul « utile »

Pour revenir aux performances, Google reconnait que Willow nous rapproche – nous n’y sommes donc pas encore – « de l’exécution d’algorithmes utiles et pertinents commercialement qui ne peuvent pas être reproduits sur des ordinateurs conventionnels ».

Google ajoute que le prochain défi à relever dans l’informatique quantique est d’arriver à « un premier calcul "utile, au-delà du classique" sur les puces quantiques d’aujourd’hui, qui soit pertinent pour une application dans le monde réel ». La société reconnait ne pas avoir encore atteint cet objectif, que certains identifient comme l’avantage quantique.

D’un côté, Willow est loin devant sur le benchmark RCS, mais cela ne débouche pas sur des « applications connues dans le monde réel ». De l’autre, Google arrive à réaliser « des simulations scientifiquement intéressantes des systèmes quantiques qui ont conduit à de nouvelles découvertes scientifiques, mais elles sont encore à portée des ordinateurs classiques ». Bref, pas d’avantage et donc encore moins de suprématie quantique.

La génération de puces Willow pourrait aider à atteindre l’objectif d’« entrer dans le royaume des algorithmes qui sont hors de portée des ordinateurs classiques et qui sont utiles pour des problèmes réels et commercialement pertinents ».

Quantum AI : la quantique au service de l’intelligence artificielle

Dans la conclusion de son billet de blog, Google part dans une nouvelle envolée lyrique en mélangeant deux buzzwords du moment : quantique et intelligence artificielle. On s’en doutait vue le nom de la division en charge des puces quantiques : Quantum AI.

« Le calcul quantique sera donc indispensable pour collecter des données d’entraînement inaccessibles aux machines classiques, entraîner et optimiser certaines architectures d’apprentissage et modéliser des systèmes où les effets quantiques sont importants.

Il s’agit notamment de nous aider à découvrir de nouveaux médicaments, de concevoir des batteries plus efficaces pour les voitures électriques et d’accélérer les progrès en matière de fusion et d’alternatives énergétiques. Beaucoup de ces futures applications révolutionnaires ne seront pas réalisables sur les ordinateurs classiques ; elles attendent l’informatique quantique ».

« Le défi d’ingénierie qui nous attend est immense »

Toujours selon Google, la correction d’erreur permet en théorie de se diriger vers de l’informatique quantique « presque parfaite ». Mais, en pratique, ce n’est pas si facile, reconnait le géant du Net : « nous avons encore un long chemin à parcourir avant d’atteindre notre objectif de construire un ordinateur quantique à grande échelle et tolérant aux pannes ».

Selon Google, avec les taux actuels, il faudrait surement plus d’un millier de qubits physiques pour obtenir un qubit logique (en utilisant le code de surface, la correction d’erreurs employée par Google), et atteindre des taux d’erreur de l’ordre de 10^- 6. Les résultats sont encourageants sur 105 qubits, mais Google se demande s’il sera possible d’obtenir « les mêmes performances sur un processeur de 1 000 qubits ». « Qu’en est-il d’un processeur d’un million de qubits ? Le défi d’ingénierie qui nous attend est immense ».

Quelle est la suite du programme ?

La progression est exponentielle, laissant entrevoir, selon Google, des résultats dans un avenir plus ou moins proche : « Nous avons constaté une multiplication par 20 des performances depuis l’année dernière – combien de bonds supplémentaires de x20 avant d’exécuter des algorithmes quantiques à grande échelle ? Peut-être moins que vous ne le pensez ».

Avec Sycamore, Google revendiquait environ 50 cycles d’opérations sur les qubits logiques. Avec Willow, on passe à l’ordre du millier. Google prévoit ensuite une montrée en puissance avec 10⁶ et 10¹² opérations.