L'« Ocelot » de Caltech devient la dernière avancée en matière de suppression d'erreurs dans l'informatique quantique

L'année dernière, McKinsey & Company a publié un rapport complet Tracer la trajectoire future de l'informatique quantique. Le rapport était intitulé avec ambition « L'essor de l'informatique quantique ». Pourtant, ces ambitions n'étaient pas sans fondement.

McKinsey a déclaré que le cheminement vers l’informatique quantique était motivé par le rythme accéléré des avancées technologiques, l’augmentation du flux d’investissements et la prolifération de l’écosystème des start-up.

Tous ces facteurs ont incité les chefs d’entreprise à planifier des stratégies robustes en matière d’informatique quantique. Une analyse actualisée de McKinsey pour la troisième édition annuelle du Quantum Technology Monitor révèle que quatre secteurs – la chimie, les sciences de la vie, la finance et la mobilité – seront probablement les premiers à être touchés par l’informatique quantique et pourraient gagner jusqu’à 2 2035 milliards de dollars d’ici XNUMX.

Pour que l'informatique quantique se développe comme l'envisage McKinsey, il faudrait un écosystème d'innovation florissant. Dans l'une des avancées les plus avant-gardistes à cet égard, les scientifiques du Centre AWS pour l'informatique quantique sur le campus de Caltech¹ ont trouvé un moyen de supprimer les erreurs dans les ordinateurs quantiques, un problème qui pourrait devenir le plus grand obstacle à la construction de machines quantiques prêtes pour le futur. 

Quel était le « problème » ?

Construire un ordinateur quantique polyvalent qui ne se limite pas à l’étude de domaines spécifiques de la physique reste un défi en raison de sa sensibilité inhérente au bruit. Les chercheurs ont découvert que les vibrations, la chaleur, les interférences électromagnétiques des téléphones portables et des réseaux Wi-Fi, et même les rayons cosmiques et les radiations provenant de l’espace peuvent tous faire sortir les qubits (bits quantiques) de leur état quantique et provoquer beaucoup plus d’erreurs que les ordinateurs classiques.

Pour aller plus loin dans la précision scientifique, la recherche, intitulée Hardware-Efficient Quantum Error Correction Via Concatenated Bosonic Qubits, vise à construire des ordinateurs quantiques qui intégreraient la correction d'erreur quantique. Il serait doté d'un qubit logique codé de manière redondante dans de nombreux qubits physiques bruyants.

Ocelot : la solution

En termes plus simples, l'équipe de scientifiques d'AWS et de Caltech a démontré une nouvelle architecture de puce quantique pour supprimer les erreurs à l'aide d'un type de qubit connu sous le nom de qubit de chat.

Les qubits de chat ne sont pas une nouveauté, ils ont été proposés pour la première fois en 2001. Depuis, les chercheurs les ont continuellement développés et perfectionnés. L’équipe a réalisé une percée avec la création de la première puce de qubit de chat évolutive, conçue pour réduire efficacement les erreurs quantiques. La puce a été baptisée Ocelot en référence au chat sauvage tacheté et à la technologie interne « d’oscillateur » qui sous-tend les qubits de chat.

Selon les chercheurs, les taux d’erreur doivent être un milliard de fois meilleurs qu’aujourd’hui. C’est seulement à ce moment-là que les ordinateurs quantiques pourront être qualifiés de performants. La nouvelle invention nous permettrait d’atteindre cet objectif plus rapidement :

Selon Oskar Painter (PhD' 01), John G Braun est professeur de physique appliquée et de physique à Caltech et responsable du matériel quantique chez AWS :

« Les taux d’erreurs ont diminué d’environ un facteur deux tous les deux ans. À ce rythme, il nous faudrait 70 ans pour atteindre le niveau souhaité. Nous développons plutôt une nouvelle architecture de puce qui pourrait nous permettre d’y parvenir plus rapidement. Cela dit, il s’agit d’un premier pas. Il nous reste encore beaucoup de travail à faire. »

Les chercheurs soulignent les inconvénients des technologies actuelles à base de qubits, mais ils affirment qu’elles pourraient nécessiter des milliers de qubits supplémentaires pour assurer le niveau de protection souhaité contre les erreurs, ce qui est comparable au fait que les journaux emploient un immense bâtiment de vérificateurs de faits pour vérifier l’exactitude de leurs articles au lieu d’une petite équipe. Cela rend le processus difficile à gérer en raison des frais généraux, qui sont excessifs et difficiles à gérer.

Fernando Brandão, professeur de physique théorique à Caltech et directeur des sciences appliquées à AWS, admet ce problème. Il dit :

« Nous essayons donc de nouvelles approches de correction des erreurs qui réduiront les frais généraux. »

La technologie d'oscillation à la base d'Ocelot

L'équipe utilise un type de qubit formé de circuits supraconducteurs constitués d'oscillateurs micro-ondes, où les états 1 et 0, représentant le qubit, sont définis comme deux amplitudes d'oscillation à grande échelle distinctes. Cette approche vise à rendre les états du qubit stables et insensibles aux erreurs de basculement de bits.

Une fois les erreurs de basculement de bits résolues, l’autre erreur qui reste à corriger est l’erreur de basculement de phase. Pour détecter les erreurs de phase, la puce Ocelot déploie quatre qubits auxiliaires.

Le code de répétition simple de l'équipe est efficace pour détecter les erreurs de retournement de phase et s'améliore à mesure que le code passe de trois qubits cat à cinq qubits cat.

La voie à suivre pour la recherche

Actuellement, la démonstration en est au stade de la preuve de concept. Mais les chercheurs impliqués dans le processus, comme Painter, sont enthousiasmés par les performances démontrées par Ocelot. Il déclare :

« C’est un problème très difficile à résoudre, et nous devrons continuer à investir dans la recherche fondamentale tout en restant connectés aux travaux importants réalisés dans le milieu universitaire et en tirant des leçons de ces travaux. »

Comme l'a laissé entendre Painter, ces améliorations nécessitent le mécénat des entreprises. Il faut des investissements pour les développer. Dans les segments suivants, nous examinons quelques-unes de ces entreprises qui font un travail important dans le domaine de l'informatique quantique.

1. IBM (IBM + 0.34%)

IBM, le géant technologique mondialement vénéré, reste déterminé à Rendre l'informatique quantique pratique Elle exploite une division dédiée, IBM Quantum, qui offre un accès à la plus grande flotte de calcul quantique au monde via Qiskit, une plateforme fournissant des outils logiciels et des services pour créer un modèle de programmation holistique pour les services publics.

QuantumSafe d'IBM, par exemple, sécurise les entreprises pour l'avenir quantique en proposant gratuitement ses systèmes de 127 qubits. De plus, la plateforme offre un accès centralisé aux systèmes, à la documentation et aux ressources d'apprentissage.

L'entreprise s'engage à faire responsable de l'informatique quantiqueLa mission de l'entreprise à cet égard est d'être « le catalyseur pour améliorer le fonctionnement du monde », et elle mène une initiative quantique responsable pour garantir que notre développement soit conforme à cette mission.

Selon IBM, l'informatique quantique responsable est une informatique quantique consciente de ses effets. L'entreprise a élaboré cinq principes quantiques responsables pour le développement et le déploiement de la technologie quantique, que l'équipe applique en interne. Ces principes sont les suivants :

• Ayez un impact sociétal positif.
• Explorez les cas d’utilisation avec prévoyance.
• Promouvoir les produits IBM avec précision
• Prendre des décisions cohérentes et fondées sur des principes
• Construire une communauté quantique diversifiée et inclusive

Grâce à des progrès constants sur la feuille de route IBM Quantum™, la société met à niveau sa plateforme quantique pour fournir des services cloud de niveau entreprise.

Plus précisément, l'entreprise met à niveau son infrastructure vers une infrastructure de niveau entreprise. Cependant, pour assurer la transparence pour ses utilisateurs existants, l'entreprise veillera à ce que la version finale de la nouvelle plateforme IBM Quantum soit très similaire à la version que nous utilisons actuellement.

L'entreprise veillera à ce que les utilisateurs continuent d'avoir accès à la documentation et aux ressources d'apprentissage qu'elle héberge traditionnellement. Cependant, la mise à niveau augmentera la valeur avec des performances améliorées et des fonctionnalités puissantes.

Parmi les fonctionnalités spécifiques, la mise à niveau comprendra une confidentialité et une sécurité des données améliorées, une expérience de notifications simplifiée, une meilleure navigation sur la plateforme, plusieurs options linguistiques pour les utilisateurs qui parlent des langues autres que l'anglais, etc.

Pour améliorer l'accessibilité publique, IBM a créé un réseau quantique. Ce réseau accompagne les entreprises, les universités, les laboratoires et les leaders de l'industrie dans leur démarche visant à faire progresser l'utilité quantique. Les membres ont accès à des ressources d'apprentissage, à des experts et à des événements pour accélérer la recherche et favoriser la collaboration.

Pour le dernier exercice financierIBM a enregistré un chiffre d'affaires de 62.8 milliards de dollars, en hausse de 1 %, en hausse de 3 % à taux de change constant.

En parlant de ses résultats, Arvind Krishna, président-directeur général d'IBM, a déclaré :

Il y a trois ans, nous avons défini notre vision d'une IBM à la croissance plus rapide et plus rentable. Je suis fier du travail accompli par l'équipe IBM pour atteindre, voire dépasser, nos engagements. Grâce à notre stratégie ciblée, à notre portefeuille enrichi et à notre culture de l'innovation, nous sommes bien positionnés pour 2025 et au-delà et prévoyons une croissance du chiffre d'affaires d'au moins 13.5 % et un flux de trésorerie disponible d'environ XNUMX milliards de dollars cette année.

2. Microsoft (MSFT -0.31%)

Microsoft est un autre géant technologique de premier plan qui a fait œuvre de pionnier dans le domaine de l’informatique quantique. Sa vision est d’accélérer la découverte scientifique grâce à une technologie de pointe qui accélérerait la découverte scientifique.

Microsoft a le quatre solutions quantiques suivantes:

• Microsoft Quantum Compute Platform : une plateforme qui permet une nouvelle génération d'applications quantiques.
• Azure Quantum Elements : il s’agit d’une solution spécialement conçue pour accélérer la découverte scientifique.
• Matériel quantique : solution visant à déverrouiller un supercalculateur quantique à grande échelle.
• Réseau quantique : une solution qui permet l'informatique quantique distribuée avec un réseau quantique

Si l’on considère ces solutions du point de vue de leurs utilisateurs, différentes solutions fournissent différents services. Par exemple, grâce à la plateforme Microsoft Quantum Compute, il est possible d’accéder à du matériel quantique de pointe, à des qubits logiques fiables, à des modèles d’IA avancés et à des simulations HPC pour accélérer les découvertes scientifiques.

La solution Azure Quantum Elements contribue à accélérer la découverte scientifique en chimie et en science des matériaux grâce au calcul haute performance, à l’intelligence artificielle et à un futur ordinateur quantique.

Grâce à Microsoft Quantum Hardware, l’entreprise conçoit un superordinateur quantique qui permettra au monde de s’attaquer à des problèmes tels que l’inversion du changement climatique et l’amélioration de la sécurité alimentaire.

Enfin, grâce à Microsoft Quantum Networking, la société vise à fournir des capacités de réseau quantique pour faire évoluer les clusters quantiques et permettre de nouvelles applications liées à la sécurité.

Si l'on examine de plus près le matériel quantique de Microsoft, on se rend compte qu'il s'agit bel et bien d'une avancée majeure. Une avancée majeure car elle ouvre la voie à l'informatique quantique basée uniquement sur la mesure, une méthode fondamentalement plus simple de contrôle de l'information quantique.

Alimenté par un cœur topologique, le processeur de Microsoft est conçu pour évoluer jusqu'à un million de qubits, soit une puissance de calcul suffisante pour relever les défis les plus difficiles de l'humanité en matière d'énergie, de médecine et au-delà.

À cet égard, on pourrait consulter l'article de Microsoft, publié dans Nature, intitulé « Interferometric Single-Shot Parity Measurement In Inas–Al Hybrid Devices ».

Dans l’ensemble, Microsoft Quantum Hardware repose sur les piliers fondamentaux suivants :

• Évolutivité : la solution est conçue pour permettre une informatique quantique utile
• Stabilité : Il résiste aux erreurs au niveau matériel.
• Petit : Le matériel est capable d’intégrer plus d’un million de qubits dans une seule puce.
• Rapide : Cela prend moins d’une microseconde par opération.
• Contrôlable : Ses impulsions de tension permettent un contrôle numérique précis.

Si nous examinons les principales fonctionnalités d'Azure Quantum Elements, sa chimie générative exploite la puissance de l'IA générative pour simplifier considérablement la découverte et la conception de nouvelles molécules dotées des propriétés souhaitées. La fonction DFT accélérée détermine les propriétés de molécules contenant des milliers d'atomes en quelques heures, offrant une augmentation substantielle de la vitesse par rapport aux autres codes DFT.

De plus, l’écosystème ouvert permet d’utiliser des solutions logicielles familières optimisées pour Azure Quantum Elements.

Azure Quantum Elements de Microsoft a aidé plusieurs instituts de recherche et entreprises à proposer des solutions d'avenir. Unilever, par exemple, a exploité la puissance des services de supercalcul et d'IA de Microsoft pour soutenir sa transformation en R&D et l'innovation de ses produits.

Microsoft et le Pacific Northwest National Laboratory ont uni leurs forces pour identifier un nouveau matériau susceptible de produire de meilleures batteries. L'entreprise a collaboré avec AspenTech pour concevoir un flux de travail de chimie quantique. Elle s'est associée à Johnson Matthey pour accélérer l'innovation dans le domaine des piles à combustible à hydrogène avec Azure Quantum.

Microsoft et 1910 Genetics se sont associés pour dynamiser la productivité de la R&D de l'industrie pharmaceutique, tandis que Microsoft s'est associé à InQuanto pour accélérer la chimie computationnelle quantique. Au total, Microsoft a joué un rôle clé en démontrant comment l'informatique quantique pourrait devenir utile pour un avenir robuste et efficace.

En 2024, l'année qui a marqué le 50e anniversaire de Microsoft en tant qu'entreprise. L'entreprise a généré un chiffre d'affaires annuel de plus de 245 milliards de dollars, en hausse de 16 % par rapport à l'année précédente, et un bénéfice d'exploitation de plus de 109 milliards de dollars, en hausse de 24 %. La société a déclaré catégoriquement qu'elle se concentrait sur l'incubation de produits techniques et de solutions de support avec un potentiel de transformation pour l'avenir du cloud computing et la croissance continue de l'entreprise, tels que l'informatique quantique et l'IA avancée pour la science.

Alors que les grandes entreprises technologiques font de leur mieux, la recherche institutionnelle ne reste pas en reste. Nous avons ouvert notre discussion avec l’une de ces recherches révolutionnaires et nous conclurons avec quelques autres.

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Plus d'informations sur la recherche en informatique quantique

Google Quantum AI et ses collaborateurs ont publié leurs recherches dans Nature en décembre 2024. Elles portaient le titre Correction d'erreur quantique en dessous du seuil de code de surface.²

L'étude a porté sur la correction des erreurs quantiques, une voie clé vers l'informatique quantique pratique. En combinant plusieurs qubits physiques en un qubit logique, cette approche réduit de manière exponentielle le taux d'erreur logique à mesure que des qubits supplémentaires sont ajoutés.

En conséquence, les chercheurs ont présenté deux mémoires de code de surface sous seuil sur sa dernière génération de processeurs supraconducteurs, Willow, un code à distance 7 et un code à distance 5 intégré à un décodeur en temps réel.

Les résultats ont été significatifs. Le système a maintenu des performances inférieures au seuil lors du décodage en temps réel, atteignant une latence moyenne de décodeur de 63 microsecondes à des distances allant de cinq à un million de cycles, avec un temps de cycle de 1.1 microseconde. Les chercheurs ont affirmé que leurs recherches indiquaient que si elles étaient mises à l'échelle, les performances du dispositif pourraient répondre aux exigences opérationnelles des algorithmes quantiques tolérants aux pannes à grande échelle.

En 2022, en gardant la correction des erreurs au centre de leurs préoccupations, les chercheurs d'IBM ont exploré un code appelé code brut, un nouveau type de code capable de stocker des informations quantiques sans erreur, avec une fraction de la charge matérielle nécessaire. Cela pourrait conduire à une correction d'erreur avec une charge matérielle nettement moindre.

Dans un article publié dans Nature, IBM a spécifiquement recherché une mémoire quantique tolérante aux pannes avec une faible surcharge de qubits, un seuil d'erreur élevé et une grande distance de code. L'entreprise a affirmé que son analyse mathématique a trouvé des exemples concrets de codes qLDPC qui remplissaient toutes les conditions de tolérance aux pannes, de présence d'une mémoire quantique, d'un seuil d'erreur élevé, d'une grande distance de code et d'une faible surcharge de qubits.

L'entreprise affirmait que son code appartenait à une famille de codes appelés « bivariate bicycle (BB) ». Ces codes allaient façonner non seulement les recherches futures d'IBM, mais aussi la façon dont nous concevons les systèmes quantiques physiques.

Au total, il existe une marge de manœuvre suffisante pour réaliser des progrès constants dans la conquête de l’avantage quantique. Les investissements publics mondiaux dans la technologie quantique ont atteint 42 milliards de dollars en 2023, la Chine étant en tête du classement avec un investissement gouvernemental annoncé de 15.3 milliards de dollars.

L’Allemagne, le Royaume-Uni, les États-Unis et la Corée du Sud, entre autres, ont suivi. Le fait que les économies technologiquement avancées investissent davantage dans l’informatique quantique et les technologies associées témoigne de l’ampleur de son potentiel. Ce que nous voyons aujourd’hui n’est peut-être que la pointe de l’iceberg.

Cliquez ici pour obtenir une liste des cinq principales entreprises d’informatique quantique.