IBM lance plus de 1 000 processeurs qubits et une feuille de route pour la correction des erreurs

Lundi, IBM a annoncé avoir produit les deux systèmes quantiques dont la sortie était prévue pour 2023 dans sa feuille de route. L’un d’eux est basé sur une puce nommée Condor, qui est le plus grand processeur quantique basé sur Transmon jamais commercialisé, avec 1 121 qubits fonctionnels. . La seconde est basée sur une combinaison de trois puces Heron, chacune possédant 133 qubits. Des puces plus petites comme Heron et son successeur, Flamingo, joueront un rôle essentiel dans la feuille de route quantique d’IBM, qui a également fait l’objet d’une mise à jour majeure aujourd’hui.

Sur la base de cette mise à jour, IBM disposera de qubits corrigés des erreurs qui fonctionneront d’ici la fin de la décennie, grâce aux améliorations apportées aux qubits individuels au cours de plusieurs itérations de la puce Flamingo. Même si ces systèmes ne mettront probablement pas en danger des éléments tels que les systèmes de chiffrement existants, ils devraient être capables d’exécuter de manière fiable des algorithmes quantiques bien plus complexes que tout ce que nous pouvons faire aujourd’hui.

Nous avons discuté avec Jay Gambetta d’IBM de tout ce que la société annonce aujourd’hui, y compris les processeurs existants, les futures feuilles de route, l’utilisation possible des machines au cours des prochaines années et le logiciel qui rend tout cela possible. Mais pour comprendre ce que fait l’entreprise, il faut prendre un peu de recul pour regarder où évolue le domaine dans son ensemble.

Qubits et qubits logiques

Presque tous les aspects du travail avec un qubit sont sujets à des erreurs. Définir son état initial, maintenir cet état, effectuer des opérations et lire l’état peuvent tous introduire des erreurs qui empêcheront les algorithmes quantiques de produire des résultats utiles. Ainsi, l’un des principaux objectifs de chaque entreprise produisant du matériel quantique a été de limiter ces erreurs, et de grands progrès ont été réalisés à cet égard.

Certains éléments indiquent que ces progrès nous ont amenés au point où il est possible d’exécuter des algorithmes quantiques plus simples sur le matériel existant. Et il est probable que ce potentiel s’étendra à d’autres algorithmes grâce aux améliorations auxquelles nous pouvons probablement nous attendre au cours des prochaines années.

À long terme, cependant, il est peu probable que nous parvenions un jour à amener le matériel qubit au point où le taux d’erreur soit suffisamment faible pour qu’un processeur puisse exécuter avec succès un algorithme complexe qui pourrait nécessiter des milliards d’opérations sur des heures de calcul. Pour cela, il est généralement reconnu que nous aurons besoin de qubits corrigés des erreurs. Celles-ci impliquent la répartition des informations quantiques détenues par un qubit, appelé « qubit logique », sur plusieurs qubits matériels. Des qubits supplémentaires sont utilisés pour surveiller les erreurs du qubit logique et permettre leur correction.

Le calcul à l’aide de qubits logiques nécessite deux choses. La première est que les taux d’erreur des qubits matériels individuels doivent être suffisamment faibles pour que les erreurs individuelles puissent être identifiées et corrigées avant que de nouvelles ne surviennent. (Certaines indications indiquent que le matériel est suffisamment performant pour que cela fonctionne avec une efficacité partielle.) La deuxième chose dont vous avez besoin est de nombreux qubits matériels, car chaque qubit logique nécessite plusieurs qubits matériels pour fonctionner. Certaines estimations suggèrent que nous aurons besoin d’un million de qubits matériels pour créer une machine capable d’héberger un nombre utile de qubits logiques.

IBM déclare désormais qu’il espère disposer d’un nombre utile de qubits logiques d’ici la fin de la décennie, et Gambetta a expliqué comment les annonces d’aujourd’hui s’inscrivent dans cette feuille de route.

Qubits et portes

Gambetta a déclaré que la société avait adopté une approche à deux voies pour préparer son matériel. L’un des aspects de cette démarche a été de développer la capacité de fabriquer de manière cohérente et en grand nombre des qubits de haute qualité. Et il a déclaré que le Condor de plus de 1 000 qubits est une indication que l’entreprise est en bonne forme à cet égard. « Il s’agit de qubits environ 50 % plus petits », a déclaré Gambetta à Ars. « Le rendement est juste là : nous avons obtenu un rendement proche de 100 pour cent. »

Le deuxième aspect sur lequel IBM a travaillé est de limiter les erreurs qui se produisent lorsque des opérations sont effectuées sur des qubits individuels ou sur des paires de qubits. Ces opérations, appelées portes, peuvent elles-mêmes être sujettes aux erreurs. Et changer l’état d’un qubit peut produire des signaux subtils qui peuvent se répercuter sur les qubits voisins, un phénomène appelé diaphonie. Heron, le plus petit des nouveaux processeurs, représente un effort de quatre ans pour améliorer les performances des portes. « C’est un bel appareil », a déclaré Gambetta. « C’est cinq fois mieux que les appareils précédents, les erreurs sont bien moindres, [and] la diaphonie ne peut pas vraiment être mesurée.

De nombreuses améliorations se résument à l’introduction de coupleurs accordables sur les qubits, un changement par rapport au matériel à fréquence fixe utilisé auparavant par la société. Cela a accéléré toutes les opérations des portes, certaines voyant une multiplication par 10. Moins vous passez de temps à faire quoi que ce soit avec un qubit, moins il y a de risques d’erreurs.

Bon nombre de ces améliorations ont été testées sur plusieurs itérations de la puce Eagle de la société, qui a été introduite pour la première fois en 2021. La nouvelle feuille de route de la société verra une itération améliorée du Heron de 133 qubits publiée l’année prochaine, qui permettra 5 000 opérations de porte. Cela sera suivi de plusieurs itérations du processeur Flamingo de 156 qubits de l’année prochaine, qui porteront les opérations de porte jusqu’à 15 000 d’ici 2028.

Ces puces seront également reliées entre elles dans des processeurs plus grands comme Crossbill et Kookaburra qui apparaissent également sur la feuille de route d’IBM (par exemple, sept Flamingos pourraient être liés pour créer un processeur avec un nombre de qubits similaire à celui du Condor actuel). L’accent sera ici mis sur le test de différents moyens de connexion des qubits, à la fois au sein et entre les puces.