Le jalon de la puce quantique suscite l’enthousiasme pour l’avenir de l’informatique

Une nouvelle étape dans l’informatique quantique

Avec l’IA, l’informatique quantique ouvre de nouvelles perspectives technologiques. Contrairement à certaines technologies de calcul sans silicium, comme le graphène, la photonique classique ou les organoïdes biologiques, elle repose sur une manière fondamentalement différente de traiter l’information.

Elle exploite des effets quantiques au moyen de qubits. Un qubit peut être dans une superposition des états 0 et 1, plutôt que contenir deux valeurs classiques simultanément accessibles. Certains problèmes se prêtent ainsi à des algorithmes potentiellement beaucoup plus efficaces que leurs équivalents classiques.

En décembre 2024, Google a annoncé que Willow avait exécuté un test spécialisé en moins de cinq minutes. Selon son estimation, un supercalculateur classique aurait nécessité 10,000,000,000,000,000,000,000,000 années pour reproduire ce calcul. Cette comparaison dépend des hypothèses de simulation classique et ne concerne pas une application commerciale utile.

Willow marque aussi une avancée dans la correction des erreurs, nécessaire à des calculs fiables à grande échelle. Les résultats ont été publiés dans Nature sous le titre « Quantum error correction below the surface code threshold » — correction des erreurs quantiques sous le seuil du code de surface.

Découvrez Willow

La puce quantique de Google porte le nom de Willow.

Source: Google

Elle succède aux générations de processeurs quantiques de Google, notamment Foxtail, Bristlecone et Sycamore.

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Google a évalué Willow par échantillonnage de circuits aléatoires (RCS). Ce test compare la production d’échantillons par un processeur quantique au coût estimé de leur simulation classique. Il ne consiste pas à attribuer aux ordinateurs classiques un nombre équivalent de qubits.

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L’évolutivité enfin à portée de main

La fragilité des états quantiques constitue un obstacle majeur. Les interactions avec l’environnement peuvent dégrader l’information nécessaire aux calculs, un phénomène appelé décohérence.

Les processeurs supraconducteurs comme Willow nécessitent un refroidissement extrême et une infrastructure complexe. Ce n’est toutefois pas le cas de toutes les architectures quantiques : d’autres utilisent notamment des ions, des atomes ou des photons.

Pour effectuer des calculs utiles, il faut disposer d’information quantique et la protéger de l’environnement ainsi que des perturbations introduites lors de sa manipulation.

Julian Kelly, physicien responsable du matériel quantique chez Google — propos résumés

Ajouter des qubits augmente aussi les possibilités d’erreur. Si leur qualité est insuffisante, l’agrandissement du système ne suffit donc pas à améliorer sa fiabilité. La correction des erreurs doit compenser ces nouvelles sources de bruit.

L’avancée de Willow porte notamment sur cette capacité à mieux protéger l’information lorsque le code de correction s’agrandit.

La présentation vidéo de Google détaille les résultats et le fonctionnement de Willow :

Correction d’erreurs

La correction des erreurs quantiques encode l’information d’un qubit logique dans plusieurs qubits physiques. Des mesures auxiliaires permettent de détecter des indices d’erreur sans lire directement toute l’information quantique protégée.

Un décodeur interprète ces mesures afin de déterminer les corrections nécessaires. Il ne s’agit donc pas simplement de reconfigurer les qubits les moins performants pour les aligner sur les autres.

Source: Google

L’amélioration du matériel, de son étalonnage et des logiciels de décodage contribue également à réduire les erreurs.

Seuil de correction d’erreurs quantiques

Le seuil de correction correspond au niveau de qualité à partir duquel agrandir un code peut produire moins d’erreurs logiques malgré l’ajout de composants physiques. Willow a démontré cette réduction pour des codes de surface de taille croissante. Ajouter n’importe quel qubit ne garantit pas, à lui seul, une amélioration.

Google a testé des réseaux de 3 × 3, 5 × 5 puis 7 × 7 qubits de données, accompagnés de qubits de mesure. À chaque changement de taille, le taux d’erreur logique a été approximativement divisé par deux.

Google Quantum AI — résultat résumé

Source: Google

Sous le seuil, la redondance du code protège l’information plus efficacement que les composants supplémentaires n’introduisent de nouvelles erreurs. Ce résultat ne supprime pas toutes les difficultés du passage à l’échelle.

La durée de vie des qubits est un facteur important. Il faut distinguer les différents paramètres de cohérence : T1 mesure la relaxation d’une excitation, et ne résume pas à lui seul toutes les propriétés de l’état quantique.

Google a annoncé des durées T1 approchant 100 microsecondes, contre environ 20 microsecondes pour sa génération antérieure. L’étude technique rapporte une moyenne de 68 ± 13 microsecondes pour le dispositif examiné. Ces chiffres décrivent des mesures différentes, et non une durée uniforme de 100 microsecondes pour tous les qubits.

L’amélioration des composants peut fortement renforcer l’efficacité de la correction des erreurs. L’analogie avec la loi de Moore reste toutefois une comparaison : elle ne constitue pas une loi établie de progression régulière de l’informatique quantique.

Selon Google, Willow renforce la perspective de construire des ordinateurs quantiques utiles et plus grands. Il s’agit d’une étape expérimentale vers des applications pertinentes, et non de leur réalisation immédiate.

Google Quantum AI — appréciation résumée

Le développement de Willow s’appuie notamment sur les investissements de Google dans la fabrication de puces quantiques supraconductrices à Santa Barbara.

Du qubit physique au qubit logique

Pour de nombreux calculs longs et tolérants aux fautes, les qubits logiques sont indispensables. Ils constituent des unités d’information protégées par un code, et non des composants physiques distincts directement fabriqués sur la puce.

Le nombre de qubits physiques par qubit logique dépend du taux d’erreur visé et de la qualité du matériel. Google évoque plus de 1 000 qubits physiques pour certains objectifs aux taux d’erreur de Willow. L’estimation de 200 mentionnée dans l’article est une projection conditionnelle, pas une capacité démontrée ni une valeur universelle.

Willow comprend 105 qubits physiques.

Prochaines étapes

Les résultats soutiennent la possibilité d’une protection accrue par des codes plus grands, sous réserve de maintenir des composants suffisamment fiables. Ils ne prouvent pas qu’un processeur de taille arbitraire conserverait automatiquement les mêmes performances.

La suite du développement doit combiner davantage de qubits, une meilleure qualité et des techniques de correction plus efficaces. Willow a déjà démontré une mémoire logique protégée ; l’objectif n’est donc pas simplement de créer un premier qubit logique, mais de réaliser des opérations utiles et fiables à plus grande échelle.

Il faudra aussi effectuer des opérations entre qubits logiques et, selon l’architecture retenue, relier différents modules quantiques pour échanger l’information.

Ces progrès, avec ceux du contrôle et du décodage, sont nécessaires à des machines utilisables régulièrement. Ils ne suffiront pas à rendre leur extension illimitée ou immédiate.

Nous avons déjà présenté d’autres technologies susceptibles de contribuer aux architectures quantiques :

• Les résonateurs nanomécaniques, étudiés pour le couplage et la mesure de systèmes quantiques.
• Le résonateur supraconducteur non linéaire à inductance asymétrique (SNAIL), qui permet d’explorer des états d’oscillateurs et le calcul quantique à variables continues.
• De meilleurs matériaux supraconducteurs, susceptibles d’améliorer la stabilité des dispositifs concernés.

L’avancée de Google améliore les perspectives de machines quantiques tolérantes aux fautes. Elle s’inscrit dans un effort collectif de longue durée et ne constitue pas encore un ordinateur commercial à grande échelle.

En 2024, Hartmut Neven, responsable de Google Quantum AI, situait les applications commerciales sur un horizon de plusieurs années :

La perspective évoquée dans l’article était celle d’applications commerciales vers la fin de la décennie. Les premières pourraient porter sur la simulation de systèmes où les effets quantiques sont importants.

Parmi les pistes figurent l’étude de matériaux pour la fusion, la compréhension des molécules en pharmacie et la conception de meilleures batteries. Il s’agit de perspectives de recherche, et non d’une échéance garantie.

Applications

L’informatique quantique pourrait contribuer à plusieurs domaines scientifiques. Les gains restent à démontrer pour chaque application :

• Modélisation biochimique : la simulation des interactions moléculaires pourrait soutenir la recherche sur les protéines et les médicaments, sans résoudre automatiquement tous les problèmes biologiques.
• Modélisation climatique : certaines méthodes quantiques sont envisagées pour des sous-problèmes complexes. Un avantage pratique pour des modèles climatiques complets reste à établir.
• Semi-conducteurs : mieux simuler les phénomènes à l’échelle atomique pourrait faciliter la recherche sur les matériaux et les composants électroniques.
• Science des matériaux : la simulation quantique pourrait contribuer à concevoir des matériaux pour l’aérospatiale, les batteries, l’impression 3D et la fabrication.
• Cryptographie : de futures machines suffisamment puissantes pourraient menacer certains systèmes à clé publique. Elles ne rendraient pas toutes les méthodes cryptographiques obsolètes ; la cryptographie post-quantique vise précisément à résister à ces attaques.

Risques

La possibilité d’utiliser le calcul quantique contre certains mécanismes cryptographiques nécessite une préparation, notamment pour les données qui doivent rester confidentielles longtemps.

Après l’annonce de Willow, plusieurs commentaires ont évoqué les conséquences pour Bitcoin. Il faut distinguer la menace future pesant sur certaines signatures cryptographiques de l’idée erronée selon laquelle Willow pourrait déjà casser toute la cryptographie.

Le risque concerne aussi les banques et de nombreux systèmes numériques. Une machine capable d’attaquer efficacement certains algorithmes à clé publique pourrait fragiliser des mécanismes d’authentification et d’échange de clés. Tous les systèmes, algorithmes et paramètres ne seraient toutefois pas touchés de manière identique.

Les communications sensibles et les infrastructures militaires doivent également anticiper cette évolution. La portée d’une attaque dépendrait des mécanismes employés, des capacités de l’attaquant et des protections déployées ; elle ne se réduit pas à un effondrement automatique de tous les dispositifs de sécurité.

Apple (AAPL ) a présenté en février 2024 PQ3 pour iMessage. Ce protocole hybride combine des techniques classiques et post-quantiques pour renforcer la protection contre des attaques futures connues. Il ne s’agit pas d’une garantie absolue contre toute attaque. Les institutions doivent elles aussi planifier une migration adaptée à leurs systèmes.

Willow ne démontre pas une capacité imminente à casser les systèmes cryptographiques à grande échelle. Il reste néanmoins utile de préparer la transition dès maintenant, car des données chiffrées peuvent être collectées aujourd’hui pour être déchiffrées ultérieurement.

Entreprise d’informatique quantique

Google développe l’informatique quantique au sein de Google Quantum AI, notamment sur son campus de Santa Barbara.

En 2019, Google avait annoncé que Sycamore exécutait un test en 200 secondes, contre une estimation initiale de 10 000 ans pour une simulation classique. Cette estimation a ensuite été discutée et améliorée par les progrès des méthodes classiques ; elle n’était pas une constante indépendante des algorithmes disponibles.

Willow poursuit cette série d’expériences, avec un test plus exigeant et des progrès distincts dans la correction des erreurs.

La contribution de Google pourrait aussi passer par le logiciel. Le groupe dispose d’une expérience importante dans ce domaine, avec la recherche en ligne, Google Workspace et Android, sans que cela garantisse sa domination future du calcul quantique.

Google Quantum AI met à disposition des outils logiciels destinés à la conception et à l’étude d’algorithmes quantiques.

Google invite les chercheurs et les développeurs à utiliser ses outils et ressources, notamment ses logiciels libres et ses formations, dont un cours sur Coursera consacré aux bases de la correction des erreurs quantiques.

Cette approche ouverte, les recherches matérielles et les services cloud pourraient permettre à Google d’influencer les outils et les pratiques du secteur. L’évolution des standards dépendra aussi d’autres entreprises, des chercheurs et des communautés de développeurs.

En parallèle, les activités d’IA, dont la conduite autonome de Waymo, pourraient diversifier les revenus d’Alphabet (GOOG ). En 2024, le groupe restait fortement présent dans la recherche en ligne et la publicité. Le potentiel de nouveaux revenus ne constitue pas une garantie de rentabilité.