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

Deux annonces sont tombées à environ 25 heures d'intervalle. Le 27 septembre, ScienceDaily a rapporté qu'une équipe de la Pritzker School of Molecular Engineering de l'Université de Chicago, d'Harvard, de l'Université de Stony Brook et de Quantinuum avait démontré un jeu de portes universel à l'aide d'anyons non abéliens sur le processeur à ions piégés H2 de Quantinuum. Le même jour, Fermilab a publié la feuille de route nationale du Département de l'Énergie pour l'informatique quantique, élaborée par un sous-comité du Comité consultatif de la Direction de la Science.

Ces deux annonces concernent la direction à prendre plutôt que des machines achevées. La première porte sur une voie vers la correction d'erreurs. La seconde détaille comment le gouvernement américain compte mesurer les progrès sur cette voie.

Ce qui a été démontré

Le résultat, évalué par les pairs et publié dans Nature selon ScienceDaily, a mobilisé 54 qubits intriqués pour créer des anyons liés à un groupe de symétrie appelé S3, correspondant aux rotations et réflexions qui laissent un triangle équilatéral inchangé. En combinant deux opérations, le tressage et la fusion, l'équipe a obtenu ce que Ruben Verresen, professeur assistant à la PME de l'UChicago et co-auteur, a décrit comme un jeu de portes universel.

« Nous avons démontré un jeu de portes universel, ce qui signifie que si vous stockez des informations dans ces versions émergentes de quarks et que vous les déplacez, vous pouvez effectuer n'importe quel calcul quantique que vous souhaitez. »

Cette formulation est importante. Les anyons non abéliens ne sont pas trouvés dans la nature en tant que particules indépendantes. Ils sont créés à l'intérieur d'un circuit quantique en intriquant de nombreux qubits ordinaires dans un état collectif qui se comporte comme une nouvelle particule avec ses propres règles. En 2024, une équipe incluant Verresen a utilisé une machine à ions piégés Quantinuum pour créer des anyons associés à un groupe de symétrie différent, D4. Le simple tressage de ces anyons n'était pas suffisant pour un calcul universel. Le nouveau travail passe à S3 et ajoute la fusion.

C'est là que se situe l'argument pratique. Les ordinateurs quantiques sont sujets aux erreurs, donc l'information est généralement répartie sur de nombreux qubits physiques. Ces codes de correction d'erreurs protègent les données mais ne fournissent généralement pas toutes les opérations nécessaires pour un calcul universel sur l'information protégée. Les ingénieurs comblent cette lacune avec des états magiques, qui nécessitent une étape de purification coûteuse appelée distillation. Henrik Dreyer, directeur général et responsable scientifique du bureau de Munich de Quantinuum, a déclaré dans le compte rendu de ScienceDaily que le résultat montre que le calcul tolérant aux fautes peut, en principe, être effectué sans distillation ni culture d'états magiques.

Le titre de ScienceDaily qualifie les anyons non abéliens de cheval noir. Dreyer a utilisé la même expression. Il faut considérer cela comme une affirmation de positionnement de la part de personnes intéressées par cette approche, et non comme un consensus du domaine.

La feuille de route et ses jalons

Le rapport du DOE, « SCAC Quantum Committee Report: Path to an Integrated Quantum Future », fixe un objectif axé sur les jalons : démontrer un ordinateur quantique corrigé des erreurs et scientifiquement pertinent d'ici 2028. Fermilab indique que le sous-comité était présidé par Anna Grassellino, directrice des technologies de Fermilab, avec Supratik Guha de la PME de l'UChicago comme vice-président. Le processus d'engagement s'est appuyé sur des laboratoires nationaux, l'académie, l'industrie et les agences fédérales, avec des contributions de centaines de participants.

Le document propose trois phases. La phase I se déroule de 2026 à 2028 et établit des Grand Challenges concurrents associant laboratoires nationaux, universités et industrie autour de cibles scientifiques spécifiques. La phase II planifierait et construirait une installation utilisateur de calcul quantique du DOE, décrite dans le rapport comme un instrument scientifique ouvert plutôt qu'un service cloud commercial. La phase III, à partir de 2030, envisage des co-processeurs quantiques, des simulateurs et des capteurs intégrés à l'infrastructure existante d'IA et de calcul à haute performance du DOE.

La mesure de succès déclarée est l'utilité scientifique, et non le nombre de qubits. Le rapport liste la prédiction des propriétés moléculaires pour la découverte de médicaments, la conception de catalyseurs, la simulation de matériaux pertinents pour la fusion et la modélisation de la physique du début de l'univers comme problèmes cibles. Il s'engage également pour une position neutre technologique sur le matériel, un détail notable compte tenu des approches concurrentes actuellement financées.

Le matériel sous-jacent

Ces éléments n'auraient guère de sens sans le réfrigérant et l'électronique de contrôle entourant les qubits. IBM a déclaré le 19 août qu'elle avait joint et refroidi deux modules cryogéniques dans un environnement unique, une étape vers la liaison de centaines de puces quantiques. L'entreprise indique que les modules descendent en dessous de 15 millikelvins et sont conçus pour sa technologie L-coupler, qui connecte des processeurs quantiques séparés. La feuille de route d'IBM vise au moins 1 000 qubits programmables d'ici 2027 et un système tolérant aux fautes, IBM Quantum Starling, en 2029.

Jay Gambetta, directeur de la recherche d'IBM, a qualifié la connexion et le fonctionnement des modules d'un pas en avant dans cette direction. Il s'agit d'une déclaration d'entreprise sur sa propre feuille de route, et l'objectif de 2029 reste non prouvé.

Il y a aussi le problème moins visible de la modélisation de l'électronique qui se trouve à côté des qubits. Un blog parrainé publié par Semiconductor Engineering le 24 septembre décrit un flux de travail pour extraire des modèles de dispositifs compacts à température ambiante, puis utiliser des réseaux de neurones hybrides pour apprendre le comportement cryogénique résiduel en dessous de 4 Kelvin. Il cite un taux de croissance annuel composé de 41,8 % pour le marché de l'informatique quantique de 2025 à 2030, source MarketsandMarkets. Matériel parrainé par un fournisseur, et le chiffre du marché provient d'une seule entreprise de recherche, donc traitez les deux avec la prudence habituelle.

À surveiller

• Si le résultat 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 l'objectif de 2028 survit au contact des budgets.
• Les installations du processeur Nighthawk d'IBM dans les modules cryogéniques, prévues plus tard cette année.
• Si le langage neutre technologiquement du DOE tient une fois que les achats commencent.

Les trois fils ne se rejoignent pas encore. Un jeu de portes universel sur 54 qubits est un résultat de laboratoire. Une feuille de route est un plan. Les modules cryogéniques sont de l'ingénierie. L'écart entre eux est l'histoire, et il ne se referme pas selon un calendrier publié par quelqu'un.