Suprématie quantique : ce que Google, IBM et la course aux qubits avaient promis

En avril 2017, John Martinis s'est fixé une échéance. Le responsable du groupe de recherche quantique de Google a déclaré à MIT Technology Review qu'avant la fin de l'année, son équipe construirait un dispositif atteignant la « suprématie quantique ». Autrement dit, capable d'effectuer un calcul précis hors de portée de tout ordinateur classique.

« Nous pensons être prêts à faire cette expérience. C'est quelque chose que nous pouvons faire maintenant », a déclaré Martinis à MIT Technology Review. La preuve devait venir d'une course entre la puce de Google et l'un des plus grands superordinateurs du monde.

Tel était le discours. Ce qui a suivi : deux ans et demi de fabrication, de tests, de documents divulgués et de scepticisme public sur ce que ce jalon mesurait réellement.

Ce qu'est un qubit, et pourquoi neuf est devenu 49

Les puces quantiques stockent les données dans des qubits, des dispositifs qui accélèrent certains calculs difficiles en exploitant la mécanique quantique. Un bit classique vaut 0 ou 1. Un qubit peut être les deux à la fois, en superposition. Pour certains problèmes, une machine peut ainsi traiter de nombreux états simultanément.

Voilà pour la théorie. L'ingénierie est plus difficile. Comme l'expliquait EE Journal dans un article de 2014 sur l'approche de l'Université de Californie à Santa Barbara, les opérations quantiques reviennent à appliquer des rotations sur des groupes de qubits intriqués. La mesure du résultat effondre la superposition en une réponse qui n'est pas forcément la bonne. La fiabilité n'est pas un détail : l'article indique que la fiabilité non corrigée doit dépasser 99 % avant que la correction d'erreurs puisse prendre le relais. Les qubits de l'UCSB, appelés transmons, fonctionnaient à environ 30 millikelvins au-dessus du zéro absolu.

La famille de puces de Google s'est développée en public. En avril 2017, l'entreprise avait publié les résultats d'une puce à neuf qubits disposés en ligne. Martinis disait avoir besoin d'une grille de 49 qubits pour l'expérience de suprématie. Le dispositif le plus récent à ce moment-là ne comptait que six qubits, mais agencés en deux par trois. L'équipe pouvait ainsi tester si sa technologie fonctionnait encore lorsque les qubits étaient côte à côte. Elle testait aussi une méthode de fabrication dans laquelle les qubits et leur câblage de contrôle sont construits sur des puces séparées puis assemblés par micro-billes. Objectif : éliminer les lignes de contrôle supplémentaires qui perturbent le fonctionnement des qubits.

« Ce processus fonctionne parfaitement », a déclaré Martinis à MIT Technology Review. « Nous sommes maintenant prêts à accélérer. »

Google n'était pas seul. L'article de MIT Technology Review cite Intel, Microsoft, IBM et des start-up parmi ceux qui couraient pour construire des processeurs quantiques. Simon Gustavsson, chercheur en informatique quantique au MIT, a déclaré à la publication que Google et IBM étaient « assez comparables ». Chris Monroe, professeur à l'Université du Maryland et cofondateur de la start-up IonQ, était plus direct sur la valeur de l'objectif : « Ce sera un jalon académique. Ensuite, il faudra encore comprendre comment le rendre plus évolutif et programmable. »

IBM répond avec 50 qubits

En novembre 2017, IBM revendiquait le record d'échelle. Dario Gil, qui dirigeait la division de recherche en informatique quantique et intelligence artificielle d'IBM, a annoncé le vendredi 10 novembre que les scientifiques de l'entreprise avaient construit et mesuré un prototype de processeur à 50 qubits, selon l'Associated Press, qui a rapporté l'annonce via The Seattle Times.

Gil a déclaré 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 les recherches d'IBM, a déclaré à l'AP qu'IBM avait probablement encore des défauts à corriger, mais que l'annonce des 50 qubits était un signe de progrès significatif.

Lors d'une conférence sur l'informatique quantique pour les entreprises au NASA Ames en décembre 2017, rapportée par Gizmodo, Martinis a contesté le comptage des 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. « C'est plus qu'une question de quantité, c'est une question de qualité des qubits. »

Gizmodo rapportait que Google fabriquait ce mois-là son dispositif de suprématie à 49 ou 50 qubits et commencerait les tests deux semaines plus tard, si les vacances de Noël le permettaient. Martinis a décrit ce que l'expérience impliquerait : intriquer des qubits, laisser le système évoluer, puis mesurer des résultats dont la distribution de probabilité est si complexe qu'une machine classique devrait simuler l'ordinateur quantique pour la vérifier. Une telle simulation pourrait prendre des semaines pour faire ce que l'ordinateur quantique ferait en quelques minutes.

La qualité, c'était des qubits qui ne produisent pas la mauvaise valeur et ne se dégradent pas en bits ordinaires au contact de l'environnement. John Preskill, théoricien à Caltech, intervenait à la même conférence. Il a appelé la période actuelle l'ère NISQ, pour ordinateur quantique bruité à échelle intermédiaire, et a déclaré que les progrès vers une machine tolérante aux fautes devaient se poursuivre.

La revendication des 200 secondes

Le résultat est tombé en septembre 2019, mais pas comme Google l'avait prévu. Fortune rapportait le 20 septembre qu'il avait obtenu une copie de l'article de Google, publié sur NASA.gov plus tôt dans la semaine avant d'être retiré. Le Financial Times avait été le premier à rapporter l'information. Un porte-parole de Google a refusé de confirmer l'authenticité de l'article et la NASA n'a pas répondu immédiatement à une demande de commentaire, selon Fortune.

Une source chez Google a suggéré à Fortune que la NASA avait publié l'article trop tôt, avant que les affirmations puissent être vérifiées par l'évaluation par les pairs. Selon cette source, ce processus pouvait prendre des semaines ou des mois.

Les chiffres centraux de l'article, tels que rapportés par Fortune : le processeur de Google, baptisé Sycamore, contenait 53 qubits, réduit par rapport à un dispositif de 72 qubits appelé Bristlecone que l'équipe avait conçu auparavant. Échantillonner un cas d'un circuit quantique spécialisé 1 000 000 de fois a pris au processeur environ 200 secondes, tandis qu'un superordinateur de pointe aurait besoin d'environ 10 000 ans pour la tâche équivalente, selon les chercheurs. Sur un serveur Google Cloud, la même expérience aurait pris environ 50 000 000 000 000 heures ; sur le processeur quantique, elle a pris 30 secondes.

« Alors que notre processeur met environ 200 secondes à échantillonner un cas du circuit quantique 1 000 000 de fois, un superordinateur de pointe nécessiterait environ 10 000 ans pour accomplir la tâche équivalente. »

Les chercheurs écrivaient que les processeurs quantiques à base de qubits supraconducteurs pouvaient désormais effectuer des calculs hors de portée des superordinateurs classiques les plus rapides disponibles aujourd'hui. L'expérience marquait selon eux le premier calcul qui ne pouvait être effectué que sur un processeur quantique. Ils prévoyaient aussi que la puissance de calcul quantique croîtrait à un rythme doublement exponentiel, dépassant le doublement d'environ deux ans de la loi de Moore.

Les objections

Dario Gil, devenu entre-temps directeur d'IBM Research, a déclaré à Fortune que le résultat ne devait pas servir de mesure du progrès. « L'expérience et le terme de "suprématie" seront mal compris par presque tout le monde », a-t-il dit. Il la décrivait comme une expérience de laboratoire très particulière, sans applications pratiques. « Les ordinateurs quantiques ne régneront jamais "en maîtres" sur les ordinateurs classiques, mais 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 « jalon notable ». Il a déclaré qu'un ordinateur quantique commercialement viable exigerait bien d'autres avancées en recherche et développement. « Alors que le développement n'en est encore qu'au premier kilomètre de ce marathon, nous croyons fermement au potentiel de cette technologie », a-t-il dit.

IBM avait sa propre façon de compter. En mars 2019, rapportait ZDNET, IBM annonçait un Quantum Volume de 16 pour son Q System One, doté d'un processeur à 20 qubits, soit le double du Quantum Volume de 8 de son précédent système IBM Q. Le Quantum Volume combine le nombre de qubits, la connectivité et le temps de cohérence. Il tient compte des erreurs de porte et de mesure, de la diaphonie entre dispositifs et de l'efficacité du compilateur. IBM disait que le Quantum Volume devrait doubler chaque année pour atteindre l'avantage quantique dans la prochaine décennie. C'est le point où les applications quantiques offrent des avantages significatifs sur les ordinateurs classiques.

Cette formulation, la qualité plutôt que le nombre brut, est celle qui a survécu aux gros titres de 2019. L'article de Google présentait le résultat comme le passage de l'informatique quantique d'un sujet de recherche à une technologie ouvrant de nouvelles capacités de calcul. Le domaine n'était, ajoutait-il, « qu'à un algorithme créatif d'applications utiles à court terme ».

Lus ensemble, les records de 2017 et 2019 décrivent un jalon réel, étroit et fortement contesté. Une puce à 53 qubits a échantillonné en 200 secondes un circuit qu'un superordinateur mettrait des millénaires à reproduire. Elle n'a pas exécuté de programme utile, et les personnes qui construisaient des machines concurrentes l'ont dit les premières.

Le schéma devrait se répéter. Google a fixé l'échéance en avril 2017, IBM a revendiqué 50 qubits en novembre 2017, et l'article sur la suprématie a refait surface en septembre 2019. Chaque annonce a relancé la discussion sur le chiffre qui signifie le progrès.