Sycamore 53 qubits de Google et prototype 50 qubits d'IBM : la course aux jalons quantiques

Google a parlé de suprématie quantique. IBM a parlé d'une expérience de laboratoire sans applications pratiques. Les deux décrivaient le même résultat de 2019, et les deux l'avaient préparé pendant des années.

Selon un article obtenu par Fortune en septembre 2019, le processeur Sycamore de Google comptait 53 qubits. L'entreprise affirme que la machine a mis environ 200 secondes pour échantillonner un million de fois une instance d'un circuit quantique. Un supercalculateur de pointe aurait eu besoin d'environ 10 000 ans pour la tâche équivalente. Les chercheurs estimaient que le même travail sur un serveur Google Cloud aurait tourné pendant 50 000 000 000 000 heures. Sur le processeur quantique, il a pris 30 secondes.

L'article est apparu sur NASA.gov avant d'être retiré. Fortune rapportait que le Financial Times avait révélé l'information en premier. Un porte-parole de Google a refusé de confirmer l'authenticité de l'article et de ses résultats. La NASA n'a pas répondu immédiatement à une demande de commentaire. Une source chez Google proche du dossier a suggéré que l'agence avait publié l'article par erreur, trop tôt, avant que les affirmations de l'équipe ne passent par l'évaluation scientifique par les pairs. Ce processus peut prendre des semaines ou des mois.

De six qubits à un objectif de suprématie

Le résultat n'est pas tombé de nulle part. En avril 2017, MIT Technology Review rapportait que John Martinis, qui dirige le groupe de recherche quantique de Google, s'était donné jusqu'à la fin de cette année pour démontrer la suprématie quantique. Il définissait celle-ci comme un calcul hors de portée de tout ordinateur classique. Martinis disait que l'expérience opposerait la puce de Google à l'un des plus grands supercalculateurs du monde.

À ce moment-là, la puce la plus récente de Google comptait six qubits, disposés deux par trois. Martinis affirmait que cette disposition montrait que la technologie fonctionnait encore lorsque les qubits étaient côte à côte, comme ils le seraient dans des dispositifs plus grands. La puce testait aussi une méthode de fabrication où les qubits et leur câblage de contrôle classique sont produits sur des puces séparées puis assemblés par collage de plots. Cette approche visait à supprimer les lignes de contrôle supplémentaires qui peuvent perturber le fonctionnement des qubits.

« Ce processus fonctionne entièrement », a déclaré Martinis à MIT Technology Review. « Nous sommes maintenant prêts à accélérer. » Il disait que les conceptions de dispositifs à 30 ou 50 qubits étaient déjà en cours, et qu'il aurait besoin d'une grille de 49 qubits pour l'expérience de suprématie. Google avait déjà publié des résultats d'une puce à neuf qubits disposés en ligne.

Martinis avait rejoint Google fin 2014 depuis l'université de Californie à Santa Barbara, où il restait professeur. Au moment de l'article de 2017, son groupe comptait environ 25 personnes. Simon Gustavsson, du MIT, confiait à la publication que Google était l'un des leaders du domaine et que la course était « assez comparable entre Google et IBM ».

Chris Monroe, professeur à l'université du Maryland et cofondateur de la start-up IonQ, se montrait plus mesuré. « Ce sera un jalon académique », disait-il de l'objectif de suprématie. « Ensuite, il faut encore trouver comment le rendre plus extensible et programmable. » Martinis reconnaissait qu'il restait beaucoup à faire, mais soutenait que l'expérience pourrait devenir une référence pour quiconque prétend disposer d'un ordinateur quantique fonctionnel.

Les 50 qubits d'IBM, et une querelle sur le mot suprématie

IBM a frappé la première sur le chiffre visé par Google. En novembre 2017, l'Associated Press rapportait que des scientifiques d'IBM avaient construit et mesuré un prototype de processeur à 50 qubits. Dario Gil, qui dirigeait la division de recherche d'IBM en informatique quantique et intelligence artificielle, disait que c'était la première fois qu'une entreprise construisait un ordinateur quantique à cette échelle.

Seth Lloyd, professeur de génie mécanique au MIT, non impliqué dans la recherche d'IBM, déclarait à l'AP qu'IBM avait probablement encore des défauts à corriger, mais que l'annonce des 50 qubits était le signe de progrès significatifs.

Moins d'un mois plus tard, à la conférence Q2B au centre de recherche Ames de la NASA, Martinis contestait le comptage des qubits comme tableau de scores. « Les communiqués de presse parlent toujours de course à l'espace quantique en nombre de qubits », disait-il, selon Gizmodo. « Ce n'est pas qu'une question de quantité, c'est la qualité des qubits. » Google, disait-il, fabriquait ce mois-là son dispositif de suprématie à 49 ou 50 qubits et commencerait les tests dans les deux semaines, retards des vacances de Noël mis à part.

Le compte rendu de Gizmodo décrivait le problème que Google comptait poser : intriquer les qubits, laisser le système évoluer, puis mesurer. L'état final prend différentes valeurs avec différentes probabilités. Le calcul des résultats possibles est si complexe qu'un ordinateur classique doit simuler la machine quantique. Il peut y passer des semaines là où l'ordinateur quantique met des minutes. L'exercice teste non seulement le nombre de qubits mais leur qualité. Les qubits ne doivent ni produire de valeurs fausses ni se dégrader en bits ordinaires au contact de leur environnement.

La conférence réunissait des représentants de constructeurs automobiles et de compagnies aériennes, de banques, d'éditeurs de logiciels et de l'armée. Volkswagen, Airbus, Citibank, Emerson et la société informatique européenne Atos figuraient parmi les présents, aux côtés de fonds de capital-risque. John Preskill, physicien théoricien à CalTech, a déclaré à l'auditoire que le domaine entrait dans ce qu'il appelait l'ère NISQ, pour ordinateurs quantiques bruités à échelle intermédiaire. Il ajoutait que les progrès vers une machine tolérante aux fautes devaient se poursuivre.

Le Quantum Volume et l'attente d'une décennie

La réponse d'IBM au comptage des qubits est arrivée en mars 2019. À la réunion de mars de l'American Physical Society, l'entreprise a présenté son Quantum Volume le plus élevé à ce jour. Cette mesure combine le nombre de qubits, la connectivité et le temps de cohérence, tout en tenant compte des erreurs de porte et de mesure, de la diaphonie entre dispositifs et de l'efficacité du compilateur.

IBM disait que son Q System One, construit autour d'un processeur à 20 qubits, produisait un Quantum Volume de 16, le double du chiffre IBM Q alors en vigueur, qui était de 8. L'entreprise ajoutait que le système affichait certains des taux d'erreur les plus bas qu'elle ait mesurés.

ZDNet rapportait la projection d'IBM : le Quantum Volume devrait doubler chaque année pour atteindre l'avantage quantique dans la décennie à venir. L'avantage quantique désigne le point où les applications quantiques apportent des bénéfices significatifs par rapport aux ordinateurs classiques. IBM a doublé la puissance de ses ordinateurs quantiques chaque année depuis 2017, selon l'entreprise. Elle a rendu sa technologie quantique disponible via un service cloud en 2016 et a travaillé avec des partenaires sur des cas d'usage commerciaux et scientifiques.

Ce cadrage a préparé l'argument qui a suivi l'article de Google de septembre 2019. Dario Gil, devenu entre-temps directeur d'IBM Research, déconseillait d'utiliser la suprématie quantique comme mesure du progrès. « L'expérience et le terme de suprématie seront mal compris par presque tous », a-t-il déclaré à Fortune. Il décrivait le travail comme une expérience de laboratoire très particulière, sans applications pratiques. « Les ordinateurs quantiques ne régneront jamais en maîtres sur les ordinateurs classiques, ils travailleront plutôt de concert avec eux, car chacun a ses forces propres. »

Jim Clarke, directeur du matériel quantique chez Intel Labs, a qualifié la mise à jour de Google de « jalon notable ». Il a dit qu'un ordinateur quantique commercialement viable exigerait bien d'autres avancées de recherche et développement. « Alors que le développement n'en est qu'au premier kilomètre de ce marathon, nous croyons fermement au potentiel de cette technologie », a-t-il déclaré.

Ce que l'article affirmait, et ce qu'il n'affirmait pas

Les chercheurs de Google écrivaient que l'accélération quantique était réalisable dans un système réel et n'était exclue par aucune loi physique cachée. Ils prévoyaient que la puissance de calcul quantique croîtrait à un rythme doublement exponentiel, plus rapide que le rythme exponentiel qui définissait la loi de Moore. Ils écrivaient aussi que l'informatique quantique passait d'un sujet de recherche à une technologie qui ouvre de nouvelles capacités de calcul, et que « nous ne sommes qu'à un algorithme créatif d'applications utiles à court terme ».

La machine elle-même comptait moins de qubits qu'une conception antérieure. Google avait auparavant conçu un dispositif à 72 qubits nommé Bristlecone, mais est revenu au Sycamore à 53 qubits pour l'expérience.

Les déclarations publiques antérieures de l'entreprise méritent d'être mises en regard de l'affirmation de 2019. En 2017, Martinis disait que les processeurs quantiques devraient être bien plus grands que 50 qubits pour accomplir un travail utile. L'évaluation de Monroe, selon laquelle la suprématie serait un jalon académique, l'extensibilité et la programmabilité restant à résoudre, n'était contredite par rien dans l'article.

Le porte-parole de Google a refusé de confirmer l'authenticité de l'article. La NASA, qui l'avait brièvement hébergé, est restée silencieuse. L'évaluation par les pairs, selon la source de l'entreprise, pouvait prendre des semaines ou des mois. Le résultat parvenu au public est d'abord arrivé par une fuite, pas par une revue.

Telle est la forme de la course aux jalons selon les faits : un prototype de 50 qubits d'IBM en novembre 2017, une affirmation de suprématie à 53 qubits de Google en septembre 2019, et entre les deux une querelle de mesure sur ce qui compte, du nombre ou de la qualité des qubits. Les entreprises, comme le notait Gizmodo depuis le salon Q2B, ont été prévenues que l'usage pratique pourrait être à des décennies. La projection d'IBM plaçait l'avantage quantique dans la décennie si le Quantum Volume continuait de doubler chaque année.

Les deux entreprises ont continué de construire. La dispute sur le nom à donner au résultat survivra probablement au matériel qui l'a produit.