Suprématie quantique : la course contestée entre Google et IBM

Google affirme avoir atteint la « suprématie quantique ». L'affirmation, formulée dans un article scientifique, est l'indication la plus sérieuse à ce jour que les ordinateurs quantiques peuvent battre les machines classiques sur une tâche précise, rapportait Fortune le 20 septembre 2019. L'expérience n'était pas une percée universelle. C'était une démonstration, et une démonstration étroite, mais une démonstration promise depuis des années.

Les chiffres racontent l'essentiel. Le processeur de Google, Sycamore, comptait 53 qubits. L'équipe était revenue en arrière par rapport à un dispositif de 72 qubits, Bristlecone, qu'elle avait conçu auparavant. Pendant l'expérience, la machine quantique échantillonnait des nombres générés aléatoirement dans un scénario spécialisé faisant intervenir des phénomènes quantiques. Les chercheurs ont indiqué que leur processeur avait mis environ 200 secondes pour échantillonner un million de fois une instance du circuit quantique. Un supercalculateur de pointe, selon leur estimation, aurait besoin d'environ 10 000 ans pour accomplir la tâche équivalente. La même expérience sur un serveur Google Cloud prendrait, selon leurs estimations, 50 000 000 000 000 heures.

Un article fuité avant l'examen par les pairs

Fortune a obtenu une copie de l'article, publié sur NASA.gov plus tôt dans la semaine avant d'être retiré. Le Financial Times a rapporté 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 la NASA avait publié l'article trop tôt, par accident, avant que les affirmations de l'équipe ne puissent être vérifiées en profondeur par l'examen scientifique par les pairs, un processus pouvant prendre de quelques semaines à plusieurs mois. Ce détail compte. Quand l'affaire a éclaté, le public a vu un jalon avant que les scientifiques n'aient fini de le vérifier.

« L'accélération quantique est réalisable dans un système réel et n'est exclue par aucune loi physique cachée », ont écrit les chercheurs de Google.

L'article prédisait aussi que la puissance de calcul quantique « croîtrait à un rythme doublement exponentiel », dépassant même le rythme exponentiel qui définissait la loi de Moore, la tendance selon laquelle la puissance de calcul traditionnelle double à peu près tous les deux ans. Les chercheurs écrivaient que les processeurs quantiques à base de qubits supraconducteurs peuvent désormais effectuer des calculs hors de portée des supercalculateurs classiques les plus rapides disponibles aujourd'hui. « À notre connaissance, cette expérience marque le premier calcul qui ne peut être effectué que sur un processeur quantique », écrivaient-ils.

La route vers 53 qubits

Le jalon n'est pas apparu de nulle part. En avril 2017, MIT Technology Review rapportait que John Martinis, qui dirigeait le groupe de recherche quantique de Google, s'était donné quelques mois seulement pour atteindre un jalon dans l'histoire de l'informatique. Avant la fin de cette année, disait Martinis, son équipe construirait un dispositif atteignant la suprématie quantique. Une raison de sa confiance était une nouvelle puce à six qubits disposés en configuration deux par trois. Selon Martinis, elle montrait que la technologie fonctionnait encore quand les qubits étaient côte à côte. La puce à six qubits testait aussi une méthode de fabrication dans laquelle les qubits et le câblage conventionnel qui les contrôle sont fabriqués sur des puces séparées puis assemblés par collage de plots.

À l'époque, Google avait publié les résultats d'une puce à neuf qubits disposés en ligne. Martinis disait qu'il aurait besoin d'une grille de 49 qubits pour l'expérience de suprématie, et que des conceptions de dispositifs de 30 à 50 qubits étaient déjà en cours. Il s'exprimait lors de la conférence IEEE TechIgnite à Burlingame, en Californie, mais le groupe n'avait pas encore divulgué formellement les détails techniques.

Google n'était pas seul. La course au développement de processeurs quantiques incluait Intel, Microsoft et IBM, plus des startups. Simon Gustavsson, chercheur principal dans un groupe de recherche en informatique quantique au MIT, a déclaré à MIT Technology Review que Google était l'un des leaders. « C'est assez comparable entre Google et IBM », a-t-il dit. Chris Monroe, professeur à l'université du Maryland et cofondateur de la startup d'informatique quantique IonQ, a qualifié l'expérience de suprématie de « jalon académique ». « Ensuite, il faut encore trouver comment la rendre plus extensible et programmable », a-t-il dit.

La riposte d'IBM

IBM avait sa propre annonce. Le 10 novembre 2017, l'Associated Press rapportait que des scientifiques d'IBM avaient construit et mesuré avec succès un prototype de processeur à 50 qubits. Dario Gil, qui dirigeait la division de recherche d'IBM en informatique quantique et intelligence artificielle, 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 la recherche d'IBM, a dit qu'IBM avait probablement encore des défauts à corriger, mais que l'annonce des 50 qubits était un signe de progrès significatif.

En mars 2019, IBM parlait d'une autre mesure. ZDNET rapportait qu'IBM présenterait son plus haut Quantum Volume à ce jour lors de la réunion de mars de l'American Physical Society. Le Quantum Volume est une mesure de performance qui tient compte du nombre de qubits, de la connectivité et du temps de cohérence, ainsi que des erreurs de porte et de mesure, de la diaphonie du dispositif et de l'efficacité du compilateur logiciel de circuits. IBM a indiqué que son Q System One, doté d'un processeur à 20 qubits, produisait un Quantum Volume de 16, le double de l'IBM Q actuel, dont le Quantum Volume était de 8. IBM a aussi affirmé que le Q System One présentait certains des taux d'erreur les plus bas qu'elle ait mesurés.

IBM a déclaré 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, dans la prochaine décennie. IBM a doublé la puissance de ses ordinateurs quantiques chaque année depuis 2017. Elle a rendu sa technologie d'informatique quantique disponible via un service cloud en 2016.

Ce que le jalon ne signifie pas

Les sceptiques étaient prêts. Dario Gil, responsable d'IBM Research, a déconseillé d'utiliser la suprématie quantique comme mesure du progrès du domaine. « L'expérience et le terme de suprématie seront mal compris par presque tous », a-t-il déclaré à Fortune. Gil a décrit l'expérience comme un cas très particulier, une « expérience de laboratoire » sans « applications pratiques ». Il a ajouté : « Les ordinateurs quantiques ne régneront jamais en maîtres sur les ordinateurs classiques, mais travailleront plutôt de concert avec eux, puisque 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 de nombreuses avancées en recherche et développement avant de devenir réalité. « Même si le développement n'en est qu'au premier kilomètre de ce marathon, nous croyons fermement au potentiel de cette technologie », a ajouté Clarke.

Google lui-même a formulé le résultat avec prudence. Dans un billet de blog publié le 23 octobre 2019, après que Nature a fait paraître l'article dans son numéro du 150e anniversaire, l'entreprise a déclaré que le jalon était le moment « hello world » qu'elle attendait, mais que de nombreuses années passeraient avant que puisse être mise en œuvre une gamme plus large d'applications réelles. Le billet décrit un effort de 13 ans, commencé en 2006 quand le scientifique de Google Hartmut Neven a entrepris d'explorer comment l'informatique quantique pourrait accélérer l'apprentissage automatique. John Martinis et son équipe de l'université de Californie à Santa Barbara ont rejoint le projet en 2014. Deux ans plus tard, Sergio Boixo a publié un article qui a concentré l'effort autour de la tâche de calcul bien définie de la suprématie quantique.

Google a aussi reconnu les limites. Les ordinateurs quantiques sont sujets aux erreurs, mais l'expérience a montré la capacité d'effectuer un calcul avec assez peu d'erreurs et à une échelle assez grande pour surpasser un ordinateur classique. Le billet comparait ce moment à la construction de la première fusée ayant quitté la gravité terrestre pour toucher le bord de l'espace. À l'époque, certains demandaient pourquoi aller dans l'espace sans arriver nulle part d'utile.

Cette comparaison est la bonne. La suprématie quantique était un repère, pas un produit. Elle a montré qu'un processeur quantique pouvait faire quelque chose qu'une machine classique ne pouvait pas, pour un problème choisi avec soin. Un travail utile, celui qui pourrait concevoir de meilleures batteries ou un engrais moins cher, reste à des années, selon Google comme selon ses critiques. La dispute qui a suivi portait moins sur la réussite de l'expérience que sur ce que le mot « suprématie » venait faire dans les gros titres.