Le Quantum Summit, évènement annuel organisé par IBM pour faire le point sur ses technologies quantiques, a lieu ce lundi 4 décembre 2023 à New-York. Quelles sont les principales annonces côté hardware ?
Nous présentons notre nouveau calculateur quantique, Condor, doté de 1121 qubits (contre 433 pour Osprey, dévoilé en 2022, ndlr). C’est un système construit en laboratoire, entièrement câblé, dont une partie a servi de support de démonstration à quelques opérations. Mais il ne sera pas disponible pour nos clients, car nous voulons nous concentrer sur l’architecture Heron, aussi annoncée aujourd’hui.
Heron suscite plus d’enthousiasme car, même s’il possède moins de qubits (133, ndlr), son architecture bénéficie d’un taux d’erreur bien moindre, ce qui se traduit par des qubits de meilleure qualité. Ce processeur quantique est accessible au travers du cloud dès aujourd’hui. (IBM dévoile en parallèle System Two, un calculateur composé de trois processeurs quantiques Heron, ndlr.)
Comment cette architecture diffère-t-elle de la précédente pour en arriver à un tel gain ?
Nos précédents systèmes ont toujours reposé sur une architecture à couplage fixe : chaque qbit interagit avec l’ensemble de ses voisins. Deux problèmes surgissent, à commencer par les collisions de fréquence : quand deux qubits opèrent à la même fréquence et qu’ils sont couplés, ils ne font pas ce qu’on leur dit de faire. D’autre part, des erreurs proviennent du fait même que les interactions mutuelles entre qubits ne cessent quasiment jamais.
Heron utilise une architecture à couplage réglable, grâce à un nouvel élément ajouté au processeur quantique qui permet d’activer et de désactiver le couplage. Les qubits sont couplés seulement si nous exécutons des portes logiques les impliquant. C’est un peu comme un interrupteur : un qubit en position « off » n’interagira pas avec ses voisins. Le taux d’erreur médian est environ cinq fois inférieur à celui des meilleurs processeurs Eagle (le nom de l’architecture précédente, ndlr) que nous ayons fabriqués. Ce qui permet d’exécuter des circuits quantiques cinq fois plus long qu’auparavant, avec des résultats aussi précis.
Avec Condor, nous allons continuer à apprendre à bâtir des « gros » systèmes et à résoudre les défis techniques afférents. Mais Heron est le premier d’une future génération de systèmes, la base de ce que nous construirons par la suite.
Cette architecture requiert-elle de nouveaux algorithmes ?
Les systèmes précédents utilisent des portes contrôlées cX (un ou plusieurs qubits contrôlent les opérations sur d’autres qubits, ndlr), grâce auxquelles l’état quantique d’un qubit est inversé (flip state), en fonction de l’état d’un autre qubit.
Le processeur Heron met en œuvre, à la place, des portes contrôlées cZ : c’est une rotation qui est appliquée à l’état quantique d’un qubit, selon l’état d’une autre qubit. Mais Qiskit (le logiciel qui permet de programmer en Python des algorithmes quantiques exécutables sur les processeurs quantiques d’IBM, ndlr) convertit de façon transparente le circuit quantique de l’utilisateur dans le jeu d’opérations quantique propre à l’un ou l’autre système.
Côté logiciel, quelles sont les nouveautés ?
Celle qui nous galvanise est le « AI transpiler » (un transpileur est un compilateur qui convertit du code source d’un langage informatique dans un autre langage informatique, ndlr). Quand je disais tout à l’heure que Qiskit peut traduire un circuit quantique d’un système à l’autre, il peut aussi, au cours de ce processus, réorganiser le circuit quantique de l’utilisateur de façon optimale pour le système sous-jacent. Cet « AI transpiler » (qui fait appel à l’IA, ndlr) améliore ce deuxième point. Il est beaucoup plus rapide que ce que fait Qiskit actuellement et fournit des circuits quantiques plus courts et plus performants. D’autre part, c’est un service accessible via le cloud. L’utilisateur n’a pas à l’exécuter sur son propre ordinateur, comme il le fait avec le transpileur intégré à Qiskit.
Les annonces de Condor et d’Heron suivent votre feuille de route. La suite est censé être le système Flamingo. Est-il toujours prévu en 2024 ?
Oui. Ce sera un système avec plusieurs processeurs Heron connectés. Mais après Flamingo, notre feuille de route va beaucoup changer. Cette évolution est due à deux papiers scientifiques. Le premier (publié dans Nature en juin, ndlr) a ouvert un chemin vers l’avantage quantique en utilisant des processeurs avec une centaine de qubits seulement (il s'agit d'une méthode d’extrapolation « zero bruit » qui produit des résultats précis pour simuler un modèle d’Ising, sur un processeur Eagle de 127 qubits, ndlr).
Nous allons donc nous concentrer sur l’amélioration de la qualité des qubits, plutôt que sur leur quantité. Nous allons nous intéresser davantage au nombre de portes logiques à deux qubits que l’on peut exécuter, donc à la taille des circuits quantiques, tout en maintenant la précision des résultats. Une décision qui est largement fondée sur ce papier « utilitaire », qui indique que l’on dispose déjà de qubits en nombre suffisant pour résoudre des problèmes intéressants, pour réaliser des calculs qui ne sont pas simulables de façon classique.
Le second papier provient de notre équipe IBM qui travaille sur les codes de correction d’erreur. Ces chercheurs ont mis au point un nouveau code, dont les trois propriétés sont très intéressantes.
Quelles sont ces propriétés ?
En premier lieu, ce code fournit une très bonne protection contre les erreurs, équivalente à celle du code de surface, l’un des meilleurs actuels. Ensuite, ce code peut être exécuté sur des groupes de 288 qubits. Or nous avons prouvé que nous pouvions fabriquer des processeurs de cette taille. Enfin, ce code requiert dix fois moins de qubits physiques par qubit logique que le code de surface.
Dans notre esprit, cela réduit de dix ans le temps nécessaire à la réalisation d’un ordinateur quantique à correction d’erreurs. Nous commençons dès maintenant à regarder comment on pourra passer des systèmes à mitigation d’erreurs, à l’instar d’Eagle et d’Heron, à des systèmes à correction d’erreurs.
En raison de ces avancées, qu’advient-il de Kookaburra, qui devait embarquer plus de 4000 qubits en 2025 ?
Ce sera un système de 288 qubits, au lieu de 4000 qubits, qui devrait assurer la démonstration d’un bloc du code de correction d’erreurs évoqué plus haut. Mais l’échéance est repoussée à 2026, car l’implantation de ce code implique un nouveau type de connexions entre les qubits que nous ne faisons pas encore. Grâce à cela, Kookaburra comportera 12 qubits logiques pour un total de 288 qubits physiques. Ce n’est pas assez pour que ce soit d’une quelconque utilité, c’est juste une démonstration. En 2029, nous projetons désormais de fabriquer un système doté de 200 qubits logiques, une sorte de rêve de ce que devrait être un ordinateur quantique.
Depuis des années, on parle du chemin continu pour aller de la mitigation d’erreurs à la correction d’erreurs. Cette année, grâce à Eagle et Heron, nous montrons que nous sommes au début de ce chemin.
