Le « Ocelot » de Caltech devient la dernière avancée en matière de réduction des erreurs en informatique quantique

L’année dernière, McKinsey & Company a publié un rapport complet traçant la trajectoire future de l’informatique quantique. Le rapport a été ambitieux nommé ‘The Rise of Quantum Computing.’ Cependant, les ambitions n’étaient pas infondées.

McKinsey a indiqué que le chemin vers l’informatique quantique était stimulé par le rythme accéléré des percées technologiques, l’augmentation des flux d’investissements et la prolifération de l’écosystème des start‑up.

Tous ces facteurs ont incité les dirigeants d’entreprise à planifier des stratégies d’informatique quantique robustes. L’analyse mise à jour de McKinsey pour le troisième Quantum Technology Monitor annuel révèle que quatre secteurs — les produits chimiques, les sciences de la vie, la finance et la mobilité — seront probablement les premiers à ressentir l’impact de l’informatique quantique et pourraient gagner jusqu’à 2 000 milliards de dollars d’ici 2035.

Pour que l’informatique quantique se développe comme le prévoit McKinsey, il faudrait un écosystème d’innovation florissant. Dans l’une des percées les plus avancées à cet égard, des scientifiques du AWS Center for Quantum Computing on Caltech’s campus¹ ont trouvé un moyen de supprimer les erreurs dans les ordinateurs quantiques — un problème qui pourrait devenir le principal obstacle à la construction de machines quantiques prêtes pour le futur. 

Quel était le « problème » ?

Construire un ordinateur quantique à usage général qui aille au‑delà de l’étude de domaines de physique de niche reste un défi en raison de sa sensibilité inhérente au bruit. Les chercheurs ont découvert que les vibrations, la chaleur, les interférences électromagnétiques provenant des téléphones portables et des réseaux Wi‑Fi, ainsi que les rayons cosmiques et les radiations de l’espace, peuvent tous perturber les qubits — les bits quantiques — les faisant sortir de leur état quantique et entraînant beaucoup plus d’erreurs que les ordinateurs classiques.

Pour préciser davantage sur le plan scientifique, la recherche intitulée Hardware‑Efficient Quantum Error Correction Via Concatenated Bosonic Qubits vise à construire des ordinateurs quantiques qui incorporeraient la correction d’erreurs quantiques. Elle prévoirait un qubit logique redondamment encodé 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 en utilisant un type de qubit connu sous le nom de qubit chat.

Les qubits chat ne sont pas nouveaux ; ils ont été proposés pour la première fois en 2001. Depuis, les chercheurs les ont continuellement développés et affinés. La percée pour l’équipe est venue avec la création de la première puce de qubits chat évolutive, conçue pour réduire efficacement les erreurs quantiques. La puce a été nommée Ocelot d’après le félin sauvage tacheté tout en faisant référence à la technologie interne « oscillateur » qui sous-tend les qubits chat.

Selon les chercheurs, les taux d’erreur doivent être un milliard de fois meilleurs qu’aujourd’hui. Ce n’est qu’alors que les ordinateurs quantiques pourront être qualifiés de réussis. La nouvelle invention nous aiderait à atteindre cet objectif plus rapidement :

According to Oskar Painter (PhD’ 01), John G Braun is a professor of applied physics and physics at Caltech and the head of quantum hardware at AWS:

“Error rates have been going down about a factor of two every two years. At this rate, it would take us 70 years to get to where we need to be. Instead, we are developing a new chip architecture that may be able to get us there faster. That said, this is an early building block. We still have a lot of work to do.”

“Les taux d’erreur ont diminué d’un facteur d’environ deux tous les deux ans. À ce rythme, il nous faudrait 70 ans pour atteindre le niveau requis. Au lieu de cela, nous développons une nouvelle architecture de puce qui pourrait nous y amener plus rapidement. Cela dit, il s’agit d’un bloc de construction précoce. Il nous reste encore beaucoup de travail.”

Les chercheurs, tout en soulignant les limites des technologies de qubits actuelles, indiquent qu’elles pourraient nécessiter des milliers de qubits supplémentaires pour offrir le niveau de protection souhaité contre les erreurs, ce qui est comparable à des rédactions employant un vaste bâtiment de vérificateurs de faits pour valider l’exactitude de leurs articles au lieu d’une petite équipe. Cela rend le processus fragile en raison du coût des surcharges, qui est excessif et difficile à gérer.

Fernando Brandão, Bren Professor of Theoretical Physics at Caltech and director of applied science at AWS, admits this problem. He says:

“So, we are trying new approaches to error correction that will reduce the overhead.”

“Donc, nous essayons de nouvelles approches de correction d’erreurs qui réduiront les surcharges.”

La technologie d’oscillation à la base d’Ocelot

L’équipe utilise un type de qubit issu 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 imperméables aux erreurs de basculement de bit.

Une fois les erreurs de basculement de bit prises en charge, l’autre erreur restant 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 capter les erreurs de basculement de phase et s’améliore lorsque le code passe de trois qubits chat à cinq qubits chat.

La voie à suivre pour la recherche

Actuellement, la démonstration en est à la phase de 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 à, et en apprenant de, travaux importants menés dans le milieu académique.”

Comme l’a suggéré Painter, ces améliorations nécessitent des mécènes d’entreprise. Elles requièrent des investissements pour passer à l’échelle. Dans les sections suivantes, nous présentons quelques‑unes de ces entreprises qui accomplissent un travail significatif dans le domaine de l’informatique quantique.

1. IBM

IBM, le géant technologique mondialement vénéré, reste engagé à rendre l’informatique quantique pratique pour le monde. Il exploite une division dédiée, IBM Quantum, qui offre l’accès à la plus grande flotte d’ordinateurs quantiques au monde via Qiskit — une plateforme fournissant des outils logiciels et des services pour créer un modèle de programmation holistique destiné à l’utilité.

QuantumSafe d’IBM, par exemple, sécurise une entreprise pour l’avenir quantique, proposant ses systèmes de 127 qubits gratuitement. De plus, la plateforme regroupe l’accès aux systèmes, la documentation et les ressources d’apprentissage en un seul endroit.

L’entreprise s’engage à rendre l’informatique quantique responsable. Sa mission dans ce domaine est d’être « le catalyseur qui rend le monde meilleur », et elle gère une Initiative Quantique Responsable afin de garantir que son développement soit en phase avec cette mission.

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

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

Avec des progrès constants le long de la feuille de route IBM Quantum™ Roadmap, l’entreprise met à jour sa plateforme quantique afin de fournir des services cloud de niveau entreprise.

Plus précisément, l’entreprise effectue une mise à niveau avec une infrastructure de niveau entreprise. Cependant, pour rester fluide pour ses utilisateurs historiques, l’entreprise veillera à ce que la version finale de la nouvelle IBM Quantum Platform soit très similaire à la version que nous utilisons actuellement.

L’entreprise garantira que les utilisateurs continuent d’accéder à la documentation et aux ressources d’apprentissage qu’elle a traditionnellement hébergées. Toutefois, la mise à niveau renforcera la valeur grâce à des performances accrues et des fonctionnalités puissantes.

Parmi les fonctionnalités spécifiques, la mise à jour comprendra une confidentialité et une sécurité des données renforcées, une expérience de notifications simplifiée, une meilleure navigation sur la plateforme, plusieurs options linguistiques pour les utilisateurs qui ne parlent pas anglais, etc.

Pour améliorer l’accessibilité publique, IBM a créé un Quantum Network. Le réseau soutient les entreprises, les universités, les laboratoires et les leaders industriels dans leurs parcours vers l’avancement de l’utilité quantique. Les membres obtiennent un accès aux ressources d’apprentissage, aux experts et aux événements afin d’accélérer la recherche et de favoriser la collaboration.

Pour l’exercice financier le plus récent, IBM a enregistré un chiffre d’affaires de 62,8 milliards de dollars, en hausse de 1 % et de 3 % en monnaie constante.

En évoquant ses résultats, Arvind Krishna, président, directeur général et chef de la direction d’IBM, a déclaré:

“Il y a trois ans, nous avons présenté une vision d’un IBM à croissance plus rapide et plus rentable. Je suis fier du travail accompli par l’équipe IBM pour respecter ou dépasser nos engagements. Avec notre stratégie ciblée, notre portefeuille renforcé et notre culture d’innovation, nous sommes bien positionnés pour 2025 et au‑delà et prévoyons une croissance du chiffre d’affaires d’au moins cinq pour cent ainsi qu’un flux de trésorerie disponible d’environ 13,5 milliards de dollars cette année.”

2. Microsoft

Un autre géant technologique qui mène des travaux pionniers dans le domaine de l’informatique quantique est Microsoft (MSFT ). Sa vision est d’accélérer la découverte scientifique grâce à une technologie avancée de pointe qui accélérerait la découverte scientifique.

Microsoft propose les quatre solutions quantiques suivantes :

• Plateforme Microsoft Quantum Compute : une plateforme qui permet une nouvelle génération d’applications quantiques.
• Azure Quantum Elements : une solution conçue spécifiquement pour accélérer la découverte scientifique.
• Matériel quantique : solution visant à débloquer un super‑ordinateur quantique à grande échelle.
• Réseau quantique : une solution qui permet l’informatique quantique distribuée grâce à un réseau quantique.

Si l’on examine ces solutions du point de vue de leurs utilisateurs, chaque solution offre des services différents. Par exemple, via 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 afin d’accélérer les découvertes scientifiques.

La solution Azure Quantum Elements aide à accélérer la découverte scientifique pour la chimie et les sciences 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 super‑ordinateur 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, l’entreprise vise à fournir des capacités de réseau quantique afin d’étendre les clusters quantiques et de permettre de nouvelles applications liées à la sécurité.

Si nous approfondissons Microsoft Quantum Hardware, nous constatons qu’il s’agit réellement d’une percée. C’est une percée parce qu’elle inaugure l’informatique quantique uniquement par mesure — une façon fondamentalement plus simple de contrôler l’information quantique.

Propulsé par un cœur topologique, le processeur de Microsoft est conçu pour évoluer jusqu’à un million de qubits — une puissance de calcul suffisante pour relever les défis les plus ardus de l’humanité dans les domaines de l’énergie, de la médecine et au‑delà.

À ce sujet, on peut consulter le papier 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 :

• Scalabilité : la solution est conçue pour permettre une informatique quantique utile.
• Stabilité : elle résiste aux erreurs au niveau matériel.
• Compacité : le matériel peut contenir plus d’un million de qubits sur une seule puce.
• Rapidité : il faut moins d’un microseconde par opération.
• Contrôlabilité : ses impulsions de tension offrent un contrôle numérique précis.

Si l’on examine les caractéristiques clés 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 aux propriétés désirées. La fonction DFT accélérée détermine les propriétés des 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 facilite l’utilisation de solutions logicielles familières optimisées pour Azure Quantum Elements.

Azure Quantum Elements de Microsoft a aidé plusieurs institutions de recherche et entreprises à fournir des solutions pour l’avenir. Par exemple, Unilever a exploité la puissance du super‑calculateur et des services d’IA de Microsoft pour soutenir sa transformation R&D et l’innovation produit.

Microsoft et le Pacific Northwest National Laboratory ont uni leurs forces pour identifier un nouveau matériau susceptible d’améliorer les 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 des piles à combustible à hydrogène avec Azure Quantum.

Microsoft et 1910 Genetics ont collaboré pour dynamiser la productivité R&D de l’industrie pharmaceutique, tandis qu’elle s’est associée à InQuanto pour accélérer la chimie computationnelle quantique. Dans l’ensemble, Microsoft a joué un rôle clé en démontrant comment l’informatique quantique pourrait devenir efficacement utile pour un avenir robuste et efficient.

En 2024, l’année qui a marqué le 50ᵉ anniversaire de Microsoft en tant qu’entreprise. L’entreprise a réalisé plus de 245 milliards de dollars de chiffre d’affaires annuel, en hausse de 16 % d’une année sur l’autre, et plus de 109 milliards de dollars de résultat d’exploitation, en hausse de 24 %. L’entreprise a déclaré de façon catégorique qu’elle se concentrait sur l’incubation de produits techniques et de solutions de support au potentiel transformateur 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 retrait. Nous avons ouvert notre discussion avec une telle recherche révolutionnaire, 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 portent le titre Quantum Error Correction Below The Surface Code Threshold.²

La recherche a abordé la question de la correction d’erreurs quantiques, une voie clé vers une informatique quantique pratique. En combinant plusieurs qubits physiques en un qubit logique, cette approche supprime exponentiellement le taux d’erreur logique à mesure que davantage de qubits sont ajoutés.

En conséquence, les chercheurs ont présenté deux mémoires de code de surface sous le seuil sur leur génération la plus récente de processeurs supraconducteurs, Willow, un code de distance‑7 et un code de distance‑5 intégrés à un décodeur en temps réel.

Les résultats étaient significatifs. Le système a maintenu des performances sous le seuil lors du décodage en temps réel, atteignant une latence moyenne du décodeur de 63 microsecondes à des distances de cinq jusqu’à un million de cycles, avec un temps de cycle de 1,1 microseconde. Les chercheurs ont affirmé que leurs travaux indiquaient que, à grande échelle, les performances du dispositif pourraient satisfaire les exigences opérationnelles des algorithmes quantiques tolérants aux fautes.

En 2022, en gardant la correction d’erreurs au centre, des chercheurs d’IBM ont exploré un code appelé le gross code, un nouveau type de code capable de stocker l’information quantique de manière exempte d’erreurs avec une fraction de la surcharge matérielle. Cela pourrait conduire à une correction d’erreurs avec beaucoup moins de surcharge.

Dans un article publié dans Nature, IBM a spécifiquement recherché une mémoire quantique tolérante aux fautes 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 avait trouvé des exemples concrets de codes qLDPC répondant à toutes les conditions d’être tolérants aux fautes, d’avoir une mémoire quantique, un seuil d’erreur élevé, une grande distance de code et une faible surcharge de qubits.

L’entreprise a déclaré que son code appartenait à une famille de codes appelés « Bivariate Bicycle (BB) ». Ils allaient façonner non seulement la recherche future d’IBM mais aussi la manière dont nous architecturons les systèmes quantiques physiques.

Dans l’ensemble, il existe un large champ pour réaliser des progrès constants vers l’avantage quantique. Les investissements publics mondiaux dans les technologies quantiques ont atteint 42 milliards de dollars US en 2023, la Chine menant le classement avec un investissement gouvernemental annoncé de 15,3 milliards de dollars US.

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

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