IBM a annoncé mercredi avoir réussi à relier et à refroidir deux « réfrigérateurs » quantiques cryogéniques, démontrant une architecture modulaire conçue pour relier à terme des centaines de puces quantiques en ordinateurs quantiques plus puissants.
Big Blue a considéré ce développement comme une étape importante sur le chemin de l’entreprise vers la livraison d’IBM Quantum Starling en 2029, qui, selon IBM, sera le premier ordinateur quantique tolérant aux pannes au monde et intégrera les avancées en matière de correction d’erreurs, de conception de processeurs, de décodage et d’ingénierie des systèmes.
« La mise à disposition d’ordinateurs quantiques tolérants aux pannes dans les industries dépend de plusieurs avancées fondamentales », a déclaré Jay Gambetta, directeur de la recherche chez IBM et membre d’IBM, dans un communiqué.
« La connexion et le fonctionnement réussis de ces modules cryogéniques marquent un pas en avant dans cette direction », a-t-il poursuivi, « et accéléreront nos progrès parallèlement à l’innovation continue en matière de matériel, de logiciels et d’algorithmes quantiques ».
Mise à l’échelle dans le congélateur
IBM a expliqué que les réfrigérateurs quantiques, qui mesurent plus de huit pieds de haut et huit pieds de large, peuvent être refroidis conjointement à 4 Kelvin (la température de l’hélium liquide) en moins de cinq jours et atteindre une température finale inférieure à 15 millikelvin peu de temps après.
« La température est un défi car les matériaux supraconducteurs ne sont stables qu’à des températures extrêmement basses », a expliqué Luke Wang, analyste actions chez Morningstar Research Services à Chicago.
« Les qubits sont également fragiles et la température est l’un des facteurs qui peuvent avoir un impact sur leurs performances », a-t-il déclaré à TechNewsWorld.
IBM a également noté que le boîtier sous vide de chaque module offre jusqu’à 12 fois plus d’espace de câblage que les systèmes quantiques IBM les plus utilisés, permettant ainsi davantage de connexions puce à puce à la fois au sein et entre les modules.
La société prévoit d’installer des processeurs Nighthawk dans les modules plus tard cette année pour des tests supplémentaires et vise à utiliser l’architecture pour prendre en charge au moins 1 000 qubits programmables d’ici 2027.
« Les qubits supraconducteurs doivent se trouver à quelques millièmes de degré au-dessus du zéro absolu, plus froid que l’espace lointain, à l’intérieur d’un réfrigérateur à dilution », a expliqué Yuval Boger, directeur commercial de QuEra Computing, un constructeur d’ordinateurs quantiques utilisant des atomes neutres, à Boston.
« Cela fonctionne bien pour des dizaines ou des centaines de qubits, mais chaque qubit que vous ajoutez apporte davantage de câbles de contrôle dans l’environnement froid, et chaque fil transporte de la chaleur », a-t-il déclaré à TechNewsWorld. « Ainsi, la puissance de refroidissement, la densité de câblage et l’encombrement deviennent tous des contraintes à mesure que vous évoluez, ce qui est l’une des principales raisons pour lesquelles des approches modulaires de liaison de puces comme celle-ci sont poursuivies. »
Jalon incrémentiel
Boger a reconnu que le développement constitue une étape importante en matière d’ingénierie.
« Pendant des années, la question difficile de l’informatique quantique supraconductrice a été de savoir comment aller au-delà d’une simple puce », a-t-il déclaré. « La liaison de plusieurs puces dans une seule machine recadre la mise à l’échelle en un problème de systèmes modulaires, ce qui explique la maturité du calcul intensif classique. »
Cependant, il a ajouté : « Il vaut la peine d’être précis sur ce qui est mis à l’échelle. Il s’agit d’un progrès sur les qubits physiques et les interconnexions. En cas de succès, cela réduira le coût significatif, la consommation d’énergie et l’espace requis par les qubits supraconducteurs en réduisant le nombre d’unités de refroidissement cryogéniques. »
Sam Lucero, consultant indépendant en stratégie et en recherche à Phoenix et ancien analyste en informatique quantique auprès de la société mondiale de recherche et de conseil Omdia, a qualifié le développement d’IBM d’incrémental. « Je pense que c’est une étape supplémentaire vers la création d’une infrastructure qui évolue mieux que les réfrigérateurs à dilution traditionnels ne l’ont fait », a-t-il déclaré à TechNewsWorld.
« Je pense qu’il est vraiment nécessaire qu’ils fassent cela pour créer des ordinateurs quantiques économiquement raisonnables à l’avenir », a-t-il ajouté.
Mise à l’échelle sans déstabiliser les qubits
Cette annonce est importante car la correction pratique des erreurs quantiques se rapproche, a observé Garfield Jones, vice-président exécutif de la stratégie et de la recherche chez QuSecure, un fabricant de solutions de sécurité quantique à San Mateo, en Californie.
« La capacité de relier des puces quantiques avec une percée dans l’architecture cryogénique stabilisera les qubits, augmentant ainsi la puissance de calcul quantique », a-t-il déclaré à TechNewsWorld.
« Les Qubits ne fonctionnent pas bien dans les environnements bruyants, ils ont donc besoin d’un environnement froid, sans poussière et calme pour se stabiliser », a-t-il expliqué. « La capacité de relier des puces entre elles sans perturber les qubits est énorme. »
L’agencement multimodule d’IBM constitue une amélioration de la conception de la réfrigération par dilution cryogénique qui devrait rendre la technologie moins coûteuse, a ajouté Roger Grimes, de Palm Harbor, en Floride, RSSI dans le domaine post-quantique et auteur de 17 livres, dont trois sur l’informatique quantique. « Je n’ai pas vu les prix, mais cela devrait réduire les prix par qubit et puce », a-t-il déclaré à TechNewsWorld.
Qubits de surfusion
Grimes a expliqué que le défi le plus difficile à relever pour les ordinateurs quantiques est de créer et de gérer des qubits qui restent stables et opérationnels jusqu’à ce qu’un problème soit résolu.
« Le reste du monde naturel – principalement des électrons ou des photons – tente d’interférer avec ces qubits créés par ordinateur et de les déstabiliser prématurément avant que le problème ne soit résolu – ce qu’on appelle la décohérence », a-t-il déclaré.
« La plupart des fournisseurs tentent de résoudre la décohérence prématurée en utilisant des qubits et des processus supplémentaires de correction d’erreurs », a-t-il poursuivi. « Il faut parfois de nombreux qubits de correction d’erreurs supplémentaires – appelés qubits auxiliaires – par « qubit de travail » pour créer ce que le monde quantique appelle un « qubit logique ». »
Grimes a ajouté que dans la plupart des ordinateurs quantiques, il existe de nombreux « qubits physiques » par qubit logique. « Le besoin de moins de qubits physiques par qubit logique reste l’un des défis et objectifs fondamentaux des ordinateurs quantiques d’aujourd’hui », a-t-il déclaré.
« En général, si vous pouvez refroidir les qubits informatiques jusqu’à un peu plus de 0 Kelvin, il y a tendance à avoir beaucoup moins d’interférences naturelles et les qubits restent cohérents, plutôt que décohérés, plus longtemps », a-t-il poursuivi.
« Les solutions de dilution cryogénique ont été parmi les premiers moyens de réaliser une surfusion », a-t-il ajouté. « Malheureusement, les solutions de surfusion et de dilution cryogénique sont chères à l’achat, volumineuses, énergivores et coûteuses à exploiter. »
Alternatives aux solutions de dilution
D’autres architectures quantiques, notamment les systèmes à atomes neutres et à ions piégés, ne nécessitent pas la même réfrigération par dilution millikelvin que celle utilisée pour les qubits supraconducteurs.
Dans les systèmes à ions piégés, les atomes sont refroidis avec des lasers pour les maintenir immobiles, mais il n’y a pas de réfrigérateur à dilution ni de plomberie cryogénique autour de la machine.
Dans les systèmes à atomes neutres, les avantages pratiques sont une consommation d’énergie moindre, un encombrement réduit et une intégration plus simple dans un centre HPC ou un centre de données qui n’a jamais été conçu pour héberger un réfrigérateur fonctionnant à des températures millikelvins.
« Il y a aussi des avantages architecturaux au-delà de la température », a ajouté Boger de QuEra. « Les atomes sont naturellement identiques. Ils peuvent être disposés dans de grands tableaux reconfigurables, et comme vous pouvez physiquement déplacer un qubit pour interagir avec n’importe quel autre qubit, vous obtenez une connectivité tout-à-tout sans la surcharge qu’entraînent les configurations de puces fixes. »
Il a toutefois admis que les portes supraconductrices sont plus rapides sur la base d’une seule opération et que l’écosystème supraconducteur possède aujourd’hui l’écosystème logiciel le plus mature.
« Il s’agit d’une saine concurrence plutôt que de l’émergence d’un seul gagnant », a-t-il déclaré. « Les atomes supraconducteurs et neutres, les ions piégés et la photonique progressent sur des axes différents, et cette diversité est bonne pour le domaine, car nous ne savons pas encore quelle approche l’emporte pour quelle charge de travail. »
« Le nombre de qubits physiques et le nombre de puces font la une des journaux, mais le nombre qui comptera réellement est celui des qubits logiques et fiables », a-t-il ajouté. « C’est la course à suivre dans les prochaines années. »
