Google a mis au point une nouvelle puce quantique appelée Willow, qui réduit considérablement les erreurs au fur et à mesure qu'elle s'étend, ce qui constitue une avancée majeure dans la correction quantique des erreurs. Willow a également réalisé en moins de cinq minutes un calcul qui prendrait 10 quadrillions d'années à un superordinateur, démontrant ainsi son potentiel pour résoudre des problèmes complexes hors de portée des ordinateurs classiques. Cette réalisation marque une étape importante vers la construction d'ordinateurs quantiques commercialement pertinents, susceptibles de révolutionner des domaines tels que la médecine, l'énergie et l'intelligence artificielle.Un ordinateur quantique est un ordinateur qui exploite les phénomènes de la mécanique quantique. En principe, un ordinateur classique peut résoudre les mêmes problèmes de calcul qu'un ordinateur quantique, s'il dispose de suffisamment de temps. Mais un ordinateur quantique serait capable d'effectuer certains calculs exponentiellement plus rapidement que n'importe quel ordinateur "classique" moderne. L'informatique quantique est annoncée comme l'une des prochaines plus grandes révolutions technologiques, mais pour l'instant, la technologie n'est pas encore utilisable pour le travail réel.
Mais l'informatique quantique pourrait bientôt devenir une réalité. Google a récemment annoncé une nouvelle puce quantique qui a résolu un problème que le meilleur superordinateur aurait mis 10 quadrillions d'années à résoudre. Le nouveau processeur quantique "Willow" de Google, d'une capacité de 105 qubits, a franchi une étape clé proposée pour la première fois en 1995, les erreurs diminuant désormais de manière exponentielle à mesure que l'on augmente la taille des ordinateurs quantiques. Cette avancée permettra aux ordinateurs quantiques d'être de moins en moins sujets aux erreurs au fur et à mesure qu'ils grandissent, franchissant ainsi une étape importante qui permet de surmonter un obstacle vieux de plusieurs dizaines d'années.
Les ordinateurs quantiques sont intrinsèquement "bruyants", ce qui signifie qu'en l'absence de technologies de correction des erreurs, un qubit sur 1 000 - les éléments fondamentaux d'un ordinateur quantique - est défaillant. Cela signifie également que les temps de cohérence (la durée pendant laquelle les qubits peuvent rester dans une superposition afin de pouvoir effectuer des calculs en parallèle) restent courts. En revanche, dans les ordinateurs conventionnels, un bit sur un milliard de milliards tombe en panne.
Ce taux d'erreur élevé est l'un des principaux obstacles à la mise à l'échelle de ces machines afin qu'elles soient suffisamment performantes pour surpasser les superordinateurs les plus rapides. C'est pourquoi la recherche s'est concentrée sur la construction d'ordinateurs quantiques dotés de qubits plus performants et moins sujets aux erreurs, et non simplement plus nombreux. Google affirme que sa nouvelle unité de traitement quantique (QPU), baptisée "Willow", est la première au monde à obtenir des résultats "inférieurs au seuil", une étape décrite par l'informaticien Peter Shor dans un article de 1995.
Pour rappel, outre les problèmes de calculs actuels, l'informatique quantique est également confrontée à un battage médiatique énorme, qui empêche de voir l'état actuel de la technologie. De nombreux experts affirment que la technologie est loin d'être mature et que les attentes à son égard sont exagérées. En d'autres termes, la révolution de l'ordinateur quantique pourrait être plus éloignée et plus limitée que beaucoup ont été amenés à le croire jusqu'ici. La percée de Google pourrait permettre de mieux situer l'avancée dans le domaine quantique.
Voici l'annonce d'Hartmut Neven, fondateur et dirigeant de Google Quantum AI, de cette percée :
Découvrez Willow, notre puce quantique de pointe
Aujourd'hui, j'ai le plaisir d'annoncer Willow, notre dernière puce quantique. Willow présente des performances de pointe dans un certain nombre de domaines, ce qui lui permet de réaliser deux grandes choses.
La puce Willow est une étape importante d'une aventure qui a commencé il y a plus de dix ans. Lorsque j'ai fondé Google Quantum AI en 2012, ma vision était de construire un ordinateur quantique utile et à grande échelle qui pourrait exploiter la mécanique quantique - le "système d'exploitation" de la nature dans la mesure où nous le connaissons aujourd'hui - au profit de la société en faisant progresser la découverte scientifique, en développant des applications utiles et en s'attaquant à certains des plus grands défis de la société. Dans le cadre de Google Research, notre équipe a établi une feuille de route à long terme, et Willow nous fait progresser de manière significative sur cette voie vers des applications commercialement pertinentes.
Correction exponentielle des erreurs quantiques - sous le seuil !
Les erreurs constituent l'un des plus grands défis de l'informatique quantique, car les qubits, les unités de calcul des ordinateurs quantiques, ont tendance à échanger rapidement des informations avec leur environnement, ce qui rend difficile la protection des informations nécessaires à la réalisation d'un calcul. En règle générale, plus on utilise de qubits, plus il y a d'erreurs, et le système devient classique.
Aujourd'hui, dans Nature, nous avons publié des résultats montrant que plus on utilise de qubits dans Willow, plus on réduit les erreurs et plus le système devient quantique. Nous avons testé des réseaux de qubits physiques de plus en plus grands, passant d'une grille de 3x3 qubits codés à une grille de 5x5, puis à une grille de 7x7 - et à chaque fois, grâce à nos dernières avancées en matière de correction quantique des erreurs, nous avons pu réduire le taux d'erreur de moitié. En d'autres termes, nous avons obtenu une réduction exponentielle du taux d'erreur. Cette réalisation historique est connue dans le domaine sous le nom de « sous le seuil » - être capable de réduire les erreurs tout en augmentant le nombre de qubits. Il faut démontrer que l'on est en dessous du seuil pour faire de réels progrès en matière de correction d'erreur, et c'est un défi de taille depuis que la correction d'erreur quantique a été introduite par Peter Shor en 1995.
Ce résultat comporte également d'autres « premières » scientifiques. Il s'agit par exemple de l'un des premiers exemples convaincants de correction d'erreur en temps réel sur un système quantique supraconducteur, ce qui est crucial pour tout calcul utile, car si vous ne pouvez pas corriger les erreurs assez rapidement, elles ruinent votre calcul avant même qu'il ne soit terminé. Il s'agit en outre d'une démonstration « au-delà du seuil de rentabilité », où nos réseaux de qubits ont des durées de vie plus longues que les qubits physiques individuels, signe indéniable que la correction d'erreurs améliore le système dans son ensemble.
En tant que premier système en dessous du seuil, il s'agit du prototype le plus convaincant d'un qubit logique évolutif construit à ce jour. C'est un signe fort qu'il est possible de construire des ordinateurs quantiques utiles et de très grande taille. Willow nous rapproche de l'exécution d'algorithmes pratiques et commercialement pertinents qui ne peuvent être reproduits sur des ordinateurs conventionnels.
10 quadrillions d'années sur l'un des superordinateurs les plus rapides d'aujourd'hui
Pour mesurer les performances de Willow, nous avons utilisé le benchmark RCS (random circuit sampling). Mis au point par notre équipe et désormais largement utilisé comme norme dans ce domaine, le RCS est le test classique le plus difficile qui puisse être réalisé sur un ordinateur quantique aujourd'hui. On peut considérer qu'il s'agit d'un point d'entrée pour l'informatique quantique : il permet de vérifier si un ordinateur quantique fait quelque chose qui ne pourrait pas être fait sur un ordinateur classique. Toute équipe qui construit un ordinateur quantique devrait d'abord vérifier s'il peut battre les ordinateurs classiques sur le RCS ; sinon, il y a de fortes raisons d'être sceptique quant à sa capacité à s'attaquer à des tâches quantiques plus complexes. Nous avons toujours utilisé ce point de référence pour évaluer les progrès réalisés d'une génération de puce à l'autre - nous avons présenté les résultats de Sycamore en octobre 2019 et, plus récemment, en octobre 2024.
Les performances de Willow sur ce benchmark sont étonnantes : il a effectué en moins de cinq minutes un calcul qui prendrait 1024 ou 10 quadrillions d'années à l'un des supercalculateurs les plus rapides d'aujourd'hui. Si vous voulez l'écrire, c'est 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 ans. Ce nombre ahurissant dépasse les échelles de temps connues en physique et dépasse largement l'âge de l'univers. Il accrédite l'idée que le calcul quantique se produit dans de nombreux univers parallèles, conformément à l'idée que nous vivons dans un multivers, une prédiction formulée pour la première fois par David Deutsch.
Ces derniers résultats pour Willow, comme le montre le graphique ci-dessous, sont les meilleurs que nous ayons obtenus jusqu'à présent, mais nous continuerons à progresser.
Notre évaluation de la manière dont Willow surpasse l'un des supercalculateurs classiques les plus puissants au monde, Frontier, était basée sur des hypothèses prudentes. Par exemple, nous avons supposé un accès total au stockage secondaire, c'est-à-dire aux disques durs, sans aucune surcharge de bande passante - une allocation généreuse et irréaliste pour Frontier. Bien sûr, comme cela s'est produit après l'annonce du premier calcul au-delà du classique en 2019, nous nous attendons à ce que les ordinateurs classiques continuent à s'améliorer par rapport à cette référence, mais l'écart qui se creuse rapidement montre que les processeurs quantiques se détachent à un rythme doublement exponentiel et qu'ils continueront à surpasser largement les ordinateurs classiques au fur et à mesure que nous passerons à l'échelle supérieure.
Des performances de pointe
Willow a été fabriqué dans notre nouvelle installation de fabrication ultramoderne de Santa Barbara, l'une des rares installations au monde à avoir été entièrement construite à cette fin. L'ingénierie des systèmes est essentielle lors de la conception et de la fabrication des puces quantiques : Tous les composants d'une puce, tels que les portes à un ou deux qubits, la réinitialisation des qubits et la lecture, doivent être simultanément bien conçus et intégrés. Si un composant est à la traîne ou si deux composants ne fonctionnent pas bien ensemble, les performances du système s'en ressentent. Par conséquent, l'optimisation des performances du système informe tous les aspects de notre processus, de l'architecture et de la fabrication des puces au développement et à l'étalonnage des portes. Les réalisations dont nous faisons état évaluent les systèmes d'informatique quantique de manière globale, et non pas un seul facteur à la fois.
Nous nous concentrons sur la qualité, et pas seulement sur la quantité, car il ne sert à rien de produire un plus grand nombre de qubits si ceux-ci ne sont pas d'une qualité suffisante. Avec 105 qubits, Willow affiche aujourd'hui les meilleures performances de sa catégorie pour les deux critères de référence du système évoqués plus haut : la correction quantique des erreurs et l'échantillonnage de circuits aléatoires. Ces critères algorithmiques sont le meilleur moyen de mesurer les performances globales d'une puce. D'autres mesures de performance plus spécifiques sont également importantes ; par exemple, nos temps T1, qui mesurent la durée pendant laquelle les qubits peuvent conserver une excitation - la ressource clé du calcul quantique - approchent maintenant les 100 µs (microsecondes). Il s'agit d'une amélioration impressionnante de ~5x par rapport à notre précédente génération de puces. Si vous souhaitez évaluer le matériel quantique et le comparer à d'autres plateformes, voici un tableau des principales spécifications :
L'avenir avec Willow et au-delà
Le prochain défi pour le domaine est de démontrer un premier calcul « utile, au-delà du classique » sur les puces quantiques d'aujourd'hui, qui soit pertinent pour une application dans le monde réel. Nous sommes convaincus que la génération de puces Willow peut nous aider à atteindre cet objectif. Jusqu'à présent, il y a eu deux types d'expériences distinctes. D'une part, nous avons effectué le benchmark RCS, qui mesure les performances par rapport aux ordinateurs classiques mais n'a pas d'applications connues dans le monde réel. D'autre part, nous avons réalisé des simulations scientifiquement intéressantes de systèmes quantiques, qui ont conduit à de nouvelles découvertes scientifiques mais restent à la portée des ordinateurs classiques. Notre objectif est de faire les deux en même temps, c'est-à-dire d'entrer dans le domaine des algorithmes qui sont hors de portée des ordinateurs classiques et qui sont utiles pour des problèmes réels et commercialement pertinents.
Nous invitons les chercheurs, les ingénieurs et les développeurs à nous rejoindre dans cette aventure en consultant nos logiciels libres et nos ressources éducatives, y compris notre nouveau cours sur Coursera, où les développeurs peuvent apprendre l'essentiel de la correction quantique des erreurs et nous aider à créer des algorithmes qui peuvent résoudre les problèmes de l'avenir.
Mes collègues me demandent parfois pourquoi j'ai quitté le domaine florissant de l'IA pour me concentrer sur l'informatique quantique. Ma réponse est que les deux s'avéreront être les technologies les plus transformatrices de notre époque, mais que l'IA avancée bénéficiera considérablement de l'accès à l'informatique quantique. C'est pourquoi j'ai baptisé notre laboratoire « Quantum AI ». Les algorithmes quantiques bénéficient de lois fondamentales de mise à l'échelle, comme nous le voyons avec RCS. Il existe des avantages similaires en termes de mise à l'échelle pour de nombreuses tâches de calcul fondamentales qui sont essentielles pour l'IA. L'informatique quantique sera donc indispensable pour collecter des données d'entraînement inaccessibles aux machines classiques, pour entraîner et optimiser certaines architectures d'apprentissage et pour modéliser des systèmes dans lesquels les effets quantiques sont importants. Il s'agit notamment de nous aider à découvrir de nouveaux médicaments, de concevoir des batteries plus efficaces pour les voitures électriques et d'accélérer les progrès dans le domaine de la fusion et des nouvelles sources d'énergie. Bon nombre de ces applications qui changeront la donne ne seront pas réalisables avec des ordinateurs classiques ; elles attendent d'être débloquées grâce à l'informatique quantique.
Aujourd'hui, j'ai le plaisir d'annoncer Willow, notre dernière puce quantique. Willow présente des performances de pointe dans un certain nombre de domaines, ce qui lui permet de réaliser deux grandes choses.
- Tout d'abord, Willow peut réduire les erreurs de manière exponentielle à mesure que nous augmentons l'échelle en utilisant davantage de qubits. Cela permet de relever un défi majeur en matière de correction d'erreurs quantiques, défi que le domaine poursuit depuis près de 30 ans.
- Deuxièmement, Willow a effectué en moins de cinq minutes un calcul de référence standard qui prendrait à l'un des superordinateurs les plus rapides d'aujourd'hui 10 quadrillions (c'est-à-dire 1024) d'années - un nombre qui dépasse largement l'âge de l'univers.
La puce Willow est une étape importante d'une aventure qui a commencé il y a plus de dix ans. Lorsque j'ai fondé Google Quantum AI en 2012, ma vision était de construire un ordinateur quantique utile et à grande échelle qui pourrait exploiter la mécanique quantique - le "système d'exploitation" de la nature dans la mesure où nous le connaissons aujourd'hui - au profit de la société en faisant progresser la découverte scientifique, en développant des applications utiles et en s'attaquant à certains des plus grands défis de la société. Dans le cadre de Google Research, notre équipe a établi une feuille de route à long terme, et Willow nous fait progresser de manière significative sur cette voie vers des applications commercialement pertinentes.
Correction exponentielle des erreurs quantiques - sous le seuil !
Les erreurs constituent l'un des plus grands défis de l'informatique quantique, car les qubits, les unités de calcul des ordinateurs quantiques, ont tendance à échanger rapidement des informations avec leur environnement, ce qui rend difficile la protection des informations nécessaires à la réalisation d'un calcul. En règle générale, plus on utilise de qubits, plus il y a d'erreurs, et le système devient classique.
Aujourd'hui, dans Nature, nous avons publié des résultats montrant que plus on utilise de qubits dans Willow, plus on réduit les erreurs et plus le système devient quantique. Nous avons testé des réseaux de qubits physiques de plus en plus grands, passant d'une grille de 3x3 qubits codés à une grille de 5x5, puis à une grille de 7x7 - et à chaque fois, grâce à nos dernières avancées en matière de correction quantique des erreurs, nous avons pu réduire le taux d'erreur de moitié. En d'autres termes, nous avons obtenu une réduction exponentielle du taux d'erreur. Cette réalisation historique est connue dans le domaine sous le nom de « sous le seuil » - être capable de réduire les erreurs tout en augmentant le nombre de qubits. Il faut démontrer que l'on est en dessous du seuil pour faire de réels progrès en matière de correction d'erreur, et c'est un défi de taille depuis que la correction d'erreur quantique a été introduite par Peter Shor en 1995.
Ce résultat comporte également d'autres « premières » scientifiques. Il s'agit par exemple de l'un des premiers exemples convaincants de correction d'erreur en temps réel sur un système quantique supraconducteur, ce qui est crucial pour tout calcul utile, car si vous ne pouvez pas corriger les erreurs assez rapidement, elles ruinent votre calcul avant même qu'il ne soit terminé. Il s'agit en outre d'une démonstration « au-delà du seuil de rentabilité », où nos réseaux de qubits ont des durées de vie plus longues que les qubits physiques individuels, signe indéniable que la correction d'erreurs améliore le système dans son ensemble.
En tant que premier système en dessous du seuil, il s'agit du prototype le plus convaincant d'un qubit logique évolutif construit à ce jour. C'est un signe fort qu'il est possible de construire des ordinateurs quantiques utiles et de très grande taille. Willow nous rapproche de l'exécution d'algorithmes pratiques et commercialement pertinents qui ne peuvent être reproduits sur des ordinateurs conventionnels.
10 quadrillions d'années sur l'un des superordinateurs les plus rapides d'aujourd'hui
Pour mesurer les performances de Willow, nous avons utilisé le benchmark RCS (random circuit sampling). Mis au point par notre équipe et désormais largement utilisé comme norme dans ce domaine, le RCS est le test classique le plus difficile qui puisse être réalisé sur un ordinateur quantique aujourd'hui. On peut considérer qu'il s'agit d'un point d'entrée pour l'informatique quantique : il permet de vérifier si un ordinateur quantique fait quelque chose qui ne pourrait pas être fait sur un ordinateur classique. Toute équipe qui construit un ordinateur quantique devrait d'abord vérifier s'il peut battre les ordinateurs classiques sur le RCS ; sinon, il y a de fortes raisons d'être sceptique quant à sa capacité à s'attaquer à des tâches quantiques plus complexes. Nous avons toujours utilisé ce point de référence pour évaluer les progrès réalisés d'une génération de puce à l'autre - nous avons présenté les résultats de Sycamore en octobre 2019 et, plus récemment, en octobre 2024.
Les performances de Willow sur ce benchmark sont étonnantes : il a effectué en moins de cinq minutes un calcul qui prendrait 1024 ou 10 quadrillions d'années à l'un des supercalculateurs les plus rapides d'aujourd'hui. Si vous voulez l'écrire, c'est 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 ans. Ce nombre ahurissant dépasse les échelles de temps connues en physique et dépasse largement l'âge de l'univers. Il accrédite l'idée que le calcul quantique se produit dans de nombreux univers parallèles, conformément à l'idée que nous vivons dans un multivers, une prédiction formulée pour la première fois par David Deutsch.
Ces derniers résultats pour Willow, comme le montre le graphique ci-dessous, sont les meilleurs que nous ayons obtenus jusqu'à présent, mais nous continuerons à progresser.
Notre évaluation de la manière dont Willow surpasse l'un des supercalculateurs classiques les plus puissants au monde, Frontier, était basée sur des hypothèses prudentes. Par exemple, nous avons supposé un accès total au stockage secondaire, c'est-à-dire aux disques durs, sans aucune surcharge de bande passante - une allocation généreuse et irréaliste pour Frontier. Bien sûr, comme cela s'est produit après l'annonce du premier calcul au-delà du classique en 2019, nous nous attendons à ce que les ordinateurs classiques continuent à s'améliorer par rapport à cette référence, mais l'écart qui se creuse rapidement montre que les processeurs quantiques se détachent à un rythme doublement exponentiel et qu'ils continueront à surpasser largement les ordinateurs classiques au fur et à mesure que nous passerons à l'échelle supérieure.
Des performances de pointe
Willow a été fabriqué dans notre nouvelle installation de fabrication ultramoderne de Santa Barbara, l'une des rares installations au monde à avoir été entièrement construite à cette fin. L'ingénierie des systèmes est essentielle lors de la conception et de la fabrication des puces quantiques : Tous les composants d'une puce, tels que les portes à un ou deux qubits, la réinitialisation des qubits et la lecture, doivent être simultanément bien conçus et intégrés. Si un composant est à la traîne ou si deux composants ne fonctionnent pas bien ensemble, les performances du système s'en ressentent. Par conséquent, l'optimisation des performances du système informe tous les aspects de notre processus, de l'architecture et de la fabrication des puces au développement et à l'étalonnage des portes. Les réalisations dont nous faisons état évaluent les systèmes d'informatique quantique de manière globale, et non pas un seul facteur à la fois.
Nous nous concentrons sur la qualité, et pas seulement sur la quantité, car il ne sert à rien de produire un plus grand nombre de qubits si ceux-ci ne sont pas d'une qualité suffisante. Avec 105 qubits, Willow affiche aujourd'hui les meilleures performances de sa catégorie pour les deux critères de référence du système évoqués plus haut : la correction quantique des erreurs et l'échantillonnage de circuits aléatoires. Ces critères algorithmiques sont le meilleur moyen de mesurer les performances globales d'une puce. D'autres mesures de performance plus spécifiques sont également importantes ; par exemple, nos temps T1, qui mesurent la durée pendant laquelle les qubits peuvent conserver une excitation - la ressource clé du calcul quantique - approchent maintenant les 100 µs (microsecondes). Il s'agit d'une amélioration impressionnante de ~5x par rapport à notre précédente génération de puces. Si vous souhaitez évaluer le matériel quantique et le comparer à d'autres plateformes, voici un tableau des principales spécifications :
L'avenir avec Willow et au-delà
Le prochain défi pour le domaine est de démontrer un premier calcul « utile, au-delà du classique » sur les puces quantiques d'aujourd'hui, qui soit pertinent pour une application dans le monde réel. Nous sommes convaincus que la génération de puces Willow peut nous aider à atteindre cet objectif. Jusqu'à présent, il y a eu deux types d'expériences distinctes. D'une part, nous avons effectué le benchmark RCS, qui mesure les performances par rapport aux ordinateurs classiques mais n'a pas d'applications connues dans le monde réel. D'autre part, nous avons réalisé des simulations scientifiquement intéressantes de systèmes quantiques, qui ont conduit à de nouvelles découvertes scientifiques mais restent à la portée des ordinateurs classiques. Notre objectif est de faire les deux en même temps, c'est-à-dire d'entrer dans le domaine des algorithmes qui sont hors de portée des ordinateurs classiques et qui sont utiles pour des problèmes réels et commercialement pertinents.
Nous invitons les chercheurs, les ingénieurs et les développeurs à nous rejoindre dans cette aventure en consultant nos logiciels libres et nos ressources éducatives, y compris notre nouveau cours sur Coursera, où les développeurs peuvent apprendre l'essentiel de la correction quantique des erreurs et nous aider à créer des algorithmes qui peuvent résoudre les problèmes de l'avenir.
Mes collègues me demandent parfois pourquoi j'ai quitté le domaine florissant de l'IA pour me concentrer sur l'informatique quantique. Ma réponse est que les deux s'avéreront être les technologies les plus transformatrices de notre époque, mais que l'IA avancée bénéficiera considérablement de l'accès à l'informatique quantique. C'est pourquoi j'ai baptisé notre laboratoire « Quantum AI ». Les algorithmes quantiques bénéficient de lois fondamentales de mise à l'échelle, comme nous le voyons avec RCS. Il existe des avantages similaires en termes de mise à l'échelle pour de nombreuses tâches de calcul fondamentales qui sont essentielles pour l'IA. L'informatique quantique sera donc indispensable pour collecter des données d'entraînement inaccessibles aux machines classiques, pour entraîner et optimiser certaines architectures d'apprentissage et pour modéliser des systèmes dans lesquels les effets quantiques sont importants. Il s'agit notamment de nous aider à découvrir de nouveaux médicaments, de concevoir des batteries plus efficaces pour les voitures électriques et d'accélérer les progrès dans le domaine de la fusion et des nouvelles sources d'énergie. Bon nombre de ces applications qui changeront la donne ne seront pas réalisables avec des ordinateurs classiques ; elles attendent d'être débloquées grâce à l'informatique quantique.
Source : Google
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Envoyé par Mathis Lucas
