Les arbres continuent d’être une source d’inspiration pour Google dans le domaine du calcul quantique. Après la puce Sycamore, présentée en 2019, voici donc Willow (saule en français), dévoilée par l’entreprise californienne le 9 décembre 2024.
Willow comprend 105 qubits supraconducteurs, contre 54 qubits pour Sycamore. Quantitativement, l’évolution n’est pas spectaculaire, mais cette nouvelle puce marque un saut qualitatif, revendique Google.
Avant tout chose, Willow a permis la démonstration de la diminution exponentielle du taux d’erreur avec l'accroissement du nombre de qubits. Il s'agit des erreurs qui affectent l’état du qubit, donc l’information quantique, et qui limitent aujourd'hui l'implémentation d'algorithmes quantiques.
Ce résultat est l’objet d’une publication dans Nature, accompagnant l’annonce de Willow et acceptée le 25 novembre dernier. L’étude est en vérité disponible depuis le 24 août dans Arxiv. A la différence près que Google, à l’époque, avait masqué l’identité de la puce ayant servi de support à l’expérience. On sait maintenant qu’il s’agissait de Willow...
La démonstration expérimentale d'un premier qubit logique
L’étude en question est considérée comme un jalon majeur car elle fait la démonstration expérimentale d’un premier qubit dit « logique », dont le taux d’erreur est plus bas (ou la fidélité plus élevée) que les qubits physiques qui le composent. C’est la voie vers l’ordinateur quantique tolérant aux fautes.
Un qubit logique est constitué par un ensemble de qubits physiques intriqués qui servent à encoder l’information de façon redondante, ces qubits physiques étant par nature « fragiles » et vulnérables aux erreurs. Dans le cas des architectures reposant sur des qubits supraconducteurs, il prend la forme d’une grille 2D de qubits physiques.
Pour détecter et corriger les erreurs, dues à divers phénomènes physiques perturbant la cohérence des qubits, un code de correction d’erreurs quantiques est appliqué. Dans le cas présent, c’est le code de surface, le plus étudié dans la littérature scientifique sur le sujet.
Celui-ci repose sur des qubits auxiliaires, raccordés chacun à quatre qubits de donnée et servant à effectuer des mesures de parité entre ces mêmes qubits de donnée - la mesure directe d’un qubit de donnée étant interdite.
Les données produites par les qubits auxiliaires – les syndromes - sont ensuite analysées par un algorithme classique, qui parvient, entre deux mesures successives, à identifier les qubits ayant subi une erreur puis à les corriger. Google a employé pour ce faire une IA et un autre algorithme plus courant.
Plus de distance, moins d'erreurs
A l’aide de deux puces Willow munies respectivement de 72 et de 105 qubits physiques, Google a donc montré que le taux d’erreur logique diminue de façon exponentielle à mesure que la distance s’agrandit, ici d’une distance de 5 (soit 5x5 qubits de donnée) à une distance de 7.
La distance correspond approximativement à la racine-carrée du nombre de qubits physiques. Cette notion, rencontrée aussi dans la correction d’erreurs classique, définit en quelque sorte la tolérance aux erreurs : une distance arbitraire d permet de corriger simultanément (d-1)/2 erreurs, d’où l’intérêt de l’augmenter.
L’expérience a été d’autant plus concluante que cette démonstration a été accomplie, pour la première fois, sous le seuil de la correction d’erreur, une valeur fixe qui dépend du type de correction d’erreurs utilisé.
Pour le code de surface, celle-ci est typiquement de 1%. Au-dessus, il ne sert à rien de multiplier le nombre de qubits physiques pour réaliser un qubit logique : les erreurs s’accumulent au point qu’elles ne peuvent plus être corrigées.
Tout cela est possible parce que la qualité des qubits physiques à l’œuvre dans Willow a aussi été améliorée, comparativement à ceux de la puce Sycamore.
Google indique notamment un temps de cohérence multiplié par cinq, atteignant près de 100 microsecondes dans le meilleur des cas. Le taux d’erreur sur les portes à un qubit est de 0,035%.
Pour en arriver là, une nouvelle salle blanche dédiée aux puces quantiques, offrant entre autres un environnement plus propre, a été inaugurée à Santa Barbara (Californie).
L'an 2 de la suprématie quantique ?
Côté applicatif, les performances de la nouvelle puce Willow ont été évaluées grâce au benchmark RCS (random circuit sampling, échantillonnage de circuits quantiques aléatoires). En 2019, le même RCS, exécuté sur la puce Sycamore, avait conduit Google à parler de « suprématie quantique ».
A première vue, Google semble vouloir refaire le coup, comparant le temps de calcul de Willow, estimé à environ 5 minutes, aux 1025 années que prendrait un supercalculateur confronté au même calcul.
Toutefois, dans un vidéo relative à l’annonce de Willow, Harmut Neven, responsable de l’ingénierie de Google Quantum AI, fait preuve d’une certaine tempérance, admettant que « le RCS n’a pas d’utilité pour une quelconque application ».
Selon lui, Google a accompli « à peu près la moitié du chemin de (notre) feuille de route publiée en 2019 ». « On n’est pas tellement en retard », dit-il. La troisième étape doit voir la fabrication d’une puce de 1000 qubits physiques pour un qubit logique, dont le taux d’erreur descend à 1 pour 1 million d’opérations. Autant dire qu'un long chemin reste à parcourir.
