Suprématie quantique : la course aux qubits de Google, IBM et des rivaux

John Martinis, à la tête du groupe de recherche quantique de Google, a déclaré à MIT Technology Review en avril 2017 que son équipe d'une vingtaine de personnes construirait un dispositif capable de « suprématie quantique » d'ici la fin de l'année. L'objectif était une grille de 49 qubits. Le matériel dont il disposait à l'époque n'en comptait que six.

Cet écart entre la promesse et la silice offre une perspective utile sur la course aux jalons de l'informatique quantique. À la fin de la décennie, elle est devenue un débat sur le vocabulaire autant que sur la physique. Google, IBM, Intel, Microsoft et un groupe de start-ups ont chacun poussé leur propre indicateur de progression. Les chiffres ont bougé. Les définitions ne se sont pas stabilisées.

Une étape à six qubits

La puce à six qubits de Google, présentée par Martinis lors de la conférence IEEE TechIgnite à Burlingame, en Californie, disposait ses qubits en configuration deux par trois. L'enjeu n'était pas le nombre brut. Il s'agissait de montrer que la technologie fonctionnait encore lorsque les qubits étaient placés côte à côte, comme ce serait nécessaire dans des dispositifs plus grands. La puce a également testé une méthode de fabrication où les qubits et le câblage conventionnel qui les contrôle sont fabriqués sur des puces séparées puis « bump bondés » ensemble. L'équipe de Google se concentrait sur cette approche depuis sa création, il y a un peu plus de deux ans, visant à éliminer les lignes de contrôle supplémentaires qui peuvent interférer avec le fonctionnement des qubits.

« Ce processus fonctionne parfaitement », a déclaré Martinis à MIT Technology Review. « Maintenant, nous sommes prêts à accélérer un peu. »

Martinis a rejoint Google fin 2014 en provenance de l'Université de Californie à Santa Barbara, où il est resté professeur. Simon Gustavsson de MIT, chercheur principal dans un groupe de recherche en informatique quantique, a décrit la direction du domaine comme « assez comparable entre Google et IBM ». Chris Monroe, professeur à l'Université du Maryland et cofondateur de la start-up IonQ, a été direct sur ce qu'une démonstration de suprématie signifierait : « Ce sera un jalon académique. Ensuite, il faudra toujours trouver comment le rendre plus scalable et programmable. »

Martinis a convenu qu'il restait beaucoup à faire. Il a soutenu que l'expérience pourrait devenir une référence pour quiconque prétend avoir un ordinateur quantique fonctionnel, et a déclaré que l'objectif a aidé les dirigeants de Google et le cofondateur Sergey Brin à comprendre que la technologie devenait réelle. « Ils comprennent tous et sont très enthousiastes à ce sujet », a-t-il dit.

IBM répond avec 50 qubits

IBM a pris de l'avance sur le chiffre en tête. Le vendredi 10 novembre 2017, Dario Gil, qui dirigeait la division de recherche en informatique quantique et intelligence artificielle d'IBM, a annoncé que les scientifiques de l'entreprise avaient réussi à construire et mesurer un prototype de processeur avec 50 qubits. Selon un rapport de l'Associated Press repris par The Seattle Times, Gil l'a appelé la première fois qu'une entreprise construisait un ordinateur quantique à cette échelle.

Seth Lloyd, professeur de génie mécanique à MIT non impliqué dans la recherche d'IBM, a déclaré qu'il était probable qu'IBM ait encore des bugs à résoudre, mais que l'annonce était un signe de progrès significatifs. L'article ne proposait aucune vérification indépendante de l'affirmation de performance.

Un mois plus tard, lors de la première conférence sur l'informatique quantique pour les entreprises à NASA Ames, Martinis a contesté le comptage de qubits comme tableau de score. « Les communiqués de presse parlent toujours de course à l'espace quantique en nombre de qubits », a-t-il dit, selon Gizmodo. « C'est plus que la quantité, c'est la qualité des qubits. »

Gizmodo a rapporté le 8 décembre 2017 que Google fabriquait alors son dispositif de suprématie à 49 ou 50 qubits, avec des tests devant commencer dans deux semaines, sans compter les retards des vacances de Noël. L'article a également esquissé ce que l'expérience impliquerait : emmêler les qubits, laisser le système évoluer, et échantillonner des résultats dont la distribution de probabilité est si complexe qu'une machine classique doit simuler l'ordinateur quantique pour la vérifier, ce qui peut prendre des semaines pour faire ce que le dispositif quantique fait en quelques minutes. John Preskill, théoricien du Caltech présent à la conférence, a décrit ce moment comme l'ère NISQ, pour Noisy, Intermediate-Scale quantum computer.

Suprématie revendiquée, puis contestée

La revendication est arrivée en septembre 2019. Fortune a obtenu une copie d'un article de Google qui avait été publié sur NASA.gov plus tôt dans la semaine avant d'être retiré. Un porte-parole de Google a refusé de confirmer l'authenticité de l'article et ses résultats. Une source à Google familière de la situation a suggéré que la NASA l'avait publié par erreur trop tôt, avant la relecture par les pairs qui peut prendre des semaines à des mois. Le Financial Times a été le premier à faire état de la nouvelle.

Les chiffres centraux de l'article étaient frappants. « Alors que notre processeur met environ 200 secondes pour échantillonner une instance du circuit quantique 1 000 000 fois, un superordinateur de pointe mettrait environ 10 000 ans pour effectuer la tâche équivalente », ont écrit les chercheurs. La puce, nommée Sycamore, contenait 53 qubits. L'équipe avait réduit la voilure depuis une conception à 72 qubits appelée Bristlecone. Sur un serveur Google Cloud, les chercheurs estimaient que la même expérience prendrait 50 000 000 000 000 heures ; sur le processeur quantique, 30 secondes. Ils ont écrit que l'accélération quantique était « réalisable dans un système du monde réel et n'est pas interdite par des lois physiques cachées », et ont prédit que la puissance de calcul quantique croîtrait à un taux double exponentiel, plus vite que la loi de Moore.

Tout le monde n'a pas accepté ce cadrage. Dario Gil, directeur de IBM Research, a déclaré à Fortune que l'expérience était une démonstration de laboratoire très particulière sans « applications pratiques », et a déconseillé d'utiliser la suprématie quantique comme indicateur de progression. « L'expérience et le terme de 'suprématie' seront mal compris par presque tout le monde », a-t-il dit. « Les ordinateurs quantiques ne régneront jamais 'suprêmes' sur les ordinateurs classiques, mais travailleront plutôt en concert avec eux, car chacun a ses forces uniques. » Jim Clarke, directeur du matériel quantique chez Intel Labs, l'a appelée « une borne notable » et a dit qu'un ordinateur quantique commercialement viable nécessiterait bien plus d'avancées en R&D. « Bien que le développement soit encore au kilomètre un de ce marathon, nous croyons fortement au potentiel de cette technologie », a-t-il dit.

Le problème des indicateurs

IBM avait déjà commencé à plaider pour un autre critère. En mars 2019, ZDNET a rapporté qu'IBM avait présenté son plus grand Quantum Volume à ce jour lors de la réunion de mars de l'American Physical Society. Le Quantum Volume est déterminé par le nombre de qubits, la connectivité et le temps de cohérence, plus les erreurs de portes et de mesure, les interférences croisées du dispositif et l'efficacité du compilateur logiciel de circuit. IBM a déclaré que son Q System One, avec un processeur à 20 qubits, produisait un Quantum Volume de 16, le double de l'IBM Q actuel à 8, et avait certains des taux d'erreur les plus bas jamais mesurés par IBM. IBM a dit que le Quantum Volume devrait doubler chaque année pour atteindre l'Avantage Quantique, le point où les applications quantiques offrent des avantages significatifs sur les ordinateurs classiques, au cours de la prochaine décennie. Il avait doublé la puissance de ses ordinateurs quantiques chaque année depuis 2017.

C'est la forme récurrente de cette course. Une entreprise fixe un objectif, rate la date, puis redéfinit la ligne d'arrivée. Martinis a promis la suprématie fin 2017 avec 49 qubits. Google a livré une revendication en 2019 avec 53. IBM a répondu avec un prototype à 50 qubits puis avec un indicateur composite qui faisait du nombre de qubits seulement une entrée parmi plusieurs. Le matériel est réel. Le tableau de score ne l'est pas.