Deux étapes quantiques en trois jours : portes universelles et feuille de route du DOE

Deux développements sont tombés à environ 25 heures d'intervalle. Le 27 septembre, ScienceDaily a rapporté un jeu de portes universelles reposant sur des anyons non abéliens. L'équipe venait de la Pritzker School of Molecular Engineering de l'université de Chicago, de Harvard, de l'université Stony Brook et de Quantinuum. Les travaux ont tourné sur le processeur à ions piégés H2 de Quantinuum. Le même jour, Fermilab a publié la feuille de route nationale pour l'informatique quantique du département de l'Énergie. Un sous-comité du Office of Science Advisory Committee l'a pilotée.

Dans les deux cas, il s'agit d'annonces de direction, pas de machines achevées. La première concerne une voie vers la correction d'erreurs. La seconde, la manière dont le gouvernement américain compte mesurer les progrès sur cette voie.

Ce qui a réellement été démontré

Le résultat, évalué par les pairs, est paru dans Nature, selon ScienceDaily. Il mobilise 54 qubits intriqués pour créer des anyons liés à un groupe de symétrie appelé S3. Ce groupe réunit les rotations et les réflexions qui laissent un triangle équilatéral inchangé. L'équipe a combiné deux opérations, le tressage et la fusion. Elle en tire ce que le coauteur Ruben Verresen appelle un jeu de portes universelles. Verresen est professeur assistant à l'UChicago PME.

Nous avons démontré ce qu'on appelle un jeu de portes universelles, ce qui signifie que si vous stockez de l'information dans ces versions émergentes de quarks et que vous les déplacez, vous pouvez effectuer n'importe quel calcul quantique dont vous pourriez avoir besoin.

Le choix des mots compte. Les anyons non abéliens n'existent pas dans la nature comme particules isolées. Un circuit quantique les crée en intriquant de nombreux qubits ordinaires en un état collectif. Cet état se comporte comme une nouvelle particule, avec ses propres règles. En 2024, une équipe incluant Verresen avait utilisé une machine à ions piégés de Quantinuum pour créer des anyons liés à un autre groupe de symétrie, D4. Le seul tressage de ces anyons ne suffisait pas à un calcul universel. Les nouveaux travaux passent à S3 et ajoutent la fusion.

C'est là que se situe l'argument pratique. Les ordinateurs quantiques sont sujets aux erreurs, si bien que l'information est généralement répartie sur de nombreux qubits physiques. Ces codes de correction d'erreurs protègent les données. Mais ils ne fournissent en général pas toutes les opérations nécessaires à un calcul universel sur l'information protégée. Les ingénieurs comblent le manque avec des états magiques. Ceux-ci exigent une étape de purification coûteuse appelée distillation. Henrik Dreyer est directeur général et responsable scientifique du bureau munichois de Quantinuum. Dans le compte rendu de ScienceDaily, il déclare que le résultat montre que le calcul tolérant aux fautes peut en principe se faire sans distillation ni culture d'états magiques.

Le titre de ScienceDaily qualifie les anyons non abéliens de outsider. Dreyer emploie la même expression. À prendre comme une prise de position de gens qui ont intérêt à cette approche. Ce n'est pas un consensus du domaine.

La feuille de route et ses jalons

Le rapport du DOE s'intitule « SCAC Quantum Committee Report: Path to an Integrated Quantum Future ». Il fixe un objectif découpé en jalons. Le but est un ordinateur quantique corrigé des erreurs et scientifiquement pertinent d'ici 2028. Fermilab indique que le sous-comité était présidé par Anna Grassellino, directrice technologique de Fermilab. Supratik Guha, de l'UChicago PME, en était le vice-président. Le processus de consultation a mobilisé les laboratoires nationaux, le monde universitaire, l'industrie et les agences fédérales. Des centaines de contributeurs y ont participé.

Le document propose trois phases. La phase I court de 2026 à 2028. Elle met en place des Grand Challenges concurrents qui associent laboratoires nationaux, universités et industrie autour de cibles scientifiques précises. La phase II prévoit de concevoir et de construire une DOE Quantum Computing User Facility. Le rapport la décrit comme un instrument scientifique ouvert, pas comme un service cloud commercial. La phase III, à partir de 2030, envisage des coprocesseurs quantiques, des simulateurs et des capteurs. Ils seraient intégrés à l'infrastructure existante du DOE en intelligence artificielle et en calcul haute performance.

La mesure du succès annoncée est l'utilité scientifique, pas le nombre de qubits. Le rapport liste plusieurs problèmes cibles. On y trouve la prédiction des propriétés moléculaires pour la découverte de médicaments, la conception de catalyseurs, la simulation de matériaux utiles à la fusion et la modélisation de la physique de l'univers primordial. Il s'engage aussi sur une position neutre vis-à-vis des technologies matérielles. Ce détail compte vu les approches concurrentes aujourd'hui financées.

Le matériel en dessous

Ces deux annonces ne pèseraient pas lourd sans la réfrigération et l'électronique de contrôle autour des qubits. IBM a annoncé le 19 août avoir connecté et refroidi deux modules cryogéniques dans un même environnement. L'entreprise y voit un pas vers la liaison de centaines de puces quantiques. IBM indique que les modules descendent sous 15 millikelvins. Ils sont conçus pour sa technologie de couplage L, qui relie des processeurs quantiques distincts. La feuille de route d'IBM vise au moins 1 000 qubits programmables d'ici 2027. Elle vise aussi un système tolérant aux fautes, IBM Quantum Starling, en 2029.

Jay Gambetta, directeur d'IBM Research, qualifie la connexion et le fonctionnement des modules de bond en avant dans cette direction. C'est une déclaration de l'entreprise sur sa propre feuille de route. La cible de 2029 reste non démontrée.

Il y a aussi le problème moins visible de la modélisation de l'électronique qui accompagne les qubits. Semiconductor Engineering a publié un blog sponsorisé le 24 septembre. Il décrit un flux de travail pour extraire des modèles compacts de dispositifs à température ambiante. Ce flux utilise ensuite des réseaux neuronaux hybrides pour apprendre le comportement cryogénique résiduel sous 4 kelvins. Il cite un taux de croissance annuel composé de 41,8 % pour le marché de l'informatique quantique entre 2025 et 2030, attribué à MarketsandMarkets. Le contenu est sponsorisé par un fournisseur, et le chiffre de marché vient d'un seul cabinet d'études. À traiter tous les deux avec la prudence habituelle.

Ce qu'il faut surveiller

• Si le résultat sur S3 est reproduit sur d'autres matériels, et combien de qubits physiques l'opération complète consomme réellement.
• Qui remporte les Grand Challenges de la phase I, et si la cible de 2028 survit au contact des budgets.
• Les installations du processeur Nighthawk d'IBM dans les modules cryogéniques, prévues plus tard cette année.
• Si la formulation neutre du DOE tient une fois les achats lancés.

Les trois fils ne se rejoignent pas encore. Un jeu de portes universelles sur 54 qubits est un résultat de laboratoire. Une feuille de route est un plan. Les modules cryogéniques relèvent de l'ingénierie. L'écart entre eux, voilà l'histoire. Il ne se comble pas selon un calendrier que quiconque aurait publié.