C’est la saison des « premières » dans le calcul quantique. Après Microsoft, qui a dévoilé sa puce Majorona 1 le 19 février dernier, voici le tour d’Amazon Web Services (AWS), dont la puce Ocelot a été présentée le 27 février. Ou plutôt un prototype de puce, pour reprendre le terme exact de la filiale de la multinationale américaine, qui ne compte que 9 bits quantiques (qubits) « seulement ».
Mais ces 9 qubits physiques ne sont pas anecdotiques : ensemble, ils ont l’avantage de former un qubit logique. Le principe est de distribuer l’information quantique sur plusieurs qubits physiques pour qu’elle résiste davantage aux erreurs, très nombreuses (de l’ordre de 1 pour 100 ou 1000 opérations), qui affectent aujourd’hui le calcul quantique. Les chercheurs d’AWS en ont apporté la preuve expérimentale dans une étude publiée dans Nature le 26 février.
L’enjeu à terme, derrière l’augmentation de la fidélité des calculs, consiste à accélérer l’arrivée du calcul dit « tolérant aux fautes », qui autoriserait l’exécution des algorithmes longs et exigeants que réclament les véritables problématiques industrielles (simulation des propriétés d’une molécule, etc). C’était aussi le but poursuivi par Google avec sa puce Willow, annoncée en décembre dernier.
Protection intrinsèque contre le bit flip
A la différence près qu’il a fallu une puce de 105 qubits physiques à Google pour obtenir un seul qubit logique. L’approche d’AWS se veut donc moins contraignante. La puce Ocelot se fonde en effet sur une architecture hybride, qui associe des qubits supraconducteurs usuels (appelés transmons dans la littérature et utilisés par Google et IBM notamment) et des qubits de chat, en mémoire du célèbre chat de Schrödinger.
Un qubit de chat est une version plus complexe de qubit supraconducteur mais qui est protégée intrinsèquement contre un type d’erreur quantique : le « bit flip », susceptible de faire basculer un qubit d’un état 0 à 1 et réciproquement. Pour comprendre sa robustesse, il faut d’abord se figurer un qubit supraconducteur comme un oscillateur électrique (un circuit comprenant un condensateur et une bobine) qui peut résonner avec la fréquence arbitraire d’un photon microonde. Ce circuit est conçu de telle manière à n’absorber qu’un seul photon et se comporte alors comme un atome artificiel à deux niveaux d’énergie distincts, fondamental et excité, qui permettent d'encoder l’information quantique.
Un qubit de chat, au contraire, est prévu pour absorber un maximum de photons. On peut le comparer avec une balançoire, poussée d’un côté et de l’autre par les petits paquets d’énergie que sont les photons. Par conséquent, plus l’amplitude de ces oscillations est grande, plus il est difficile pour ce qubit de se renverser.
Réduire de 90% le nombre de qubits physiques nécessaires
La situation pourrait être idéale si un qubit, en plus du « bit flip » touchant aussi les bits classiques, ne devait faire face au « phase flip », erreur typiquement quantique relative au changement de signe de la phase de l’état 0 ou 1 du qubit.
Les transmons de la puce Ocelot sont là pour corriger et détecter ces erreurs. Au nombre de 4, ces qubits auxiliaires, intercalés entre deux qubits de chat (voir schéma), servent à mesurer la phase d’un qubit de chat, lequel stocke l’information quantique, et à la comparer à celle du qubit voisin. Une technique d’algorithmie classique, le code de répétition, est employée pour déterminer le qubit « fautif ».
Ce qu’ont montré les chercheurs d’AWS, c’est que le taux d’erreur baisse quand l’encodage de l’information quantique est réalisé sur 5 qubits de chat au lieu de 3. Ou, selon le jargon officiel, quand on passe d’un code de distance 3 à un code de distance 5. Ainsi arrive-t-on à un qubit logique qui, d’après l’expérimentation des chercheurs d’AWS, résiste aux erreurs « bit flip » durant 1 seconde et aux erreurs « phase flip » durant 20 microsecondes.
AWS Le schéma descriptif de la puce Ocelot. Dans cet exemple, deux transmons auxiliaires détectent une erreur de phase flip (Z) sur un qubit de chat adjacent. La mesure, analysée par un code de répétition, permet de localiser le qubit de chat en erreur. En vert, des tampons stabilisant le qubit de chat.
Cependant, sur la puce Ocelot, ce code de distance 5 correspond à 9 qubits physiques, au lieu de 49 pour la puce de Google. Les chercheurs d’AWS arguent, dans une prépublication visible sur Arxiv, que cette architecture pourrait réduire de 90% la quantité de qubits physiques nécessaires pour accomplir la correction d’erreurs quantiques, ce qui faciliterait le passage à l’échelle de l’ordinateur quantique.
Il est bon de rappeler que l’idée du qubit de chat a été formalisée en France, en 2012, par l’équipe de Mazyar Mirrahimi. Des travaux que la deeptech tricolore Alice&Bob a repris à son compte pour concevoir ses propres puces quantiques. Lesquelles sont intégralement composées de qubits de chat, architecture plus ardue que celle d’Ocelot mais sur laquelle compte le français pour diviser par 200 le nombre de qubits physiques par qubit logique.
Beau joueur, Laurent Prost, responsable produit d’Alice&Bob, a salué l’annonce d’AWS sur Linkedin : « La course vient de débuter et encore beaucoup de choses peuvent arriver. Mais il est toujours plaisant de voir la team Cats marquer quelques points ! »
