Déballage d’Eagle, la nouvelle puce quantique de 127 qubits d’IBM

IBM a dévoilé cette semaine une puce informatique quantique de 127 qubits appelée Eagle, présentant un nouvel atout dans la course à la construction de l’ordinateur quantique le plus puissant.

Leurs puces seront comparées à celles du Laboratoire national Hefei des sciences physiques de l’Université des sciences et technologies de Chine, de Google et de Microsoft.

L’Eagle est un processeur quantique qui est environ la taille d’un quart. Contrairement aux puces informatiques ordinaires, qui codent les informations sous forme de 0 ou 1 bits, les ordinateurs quantiques peuvent représenter des informations dans quelque chose appelé qubits, qui peut avoir une valeur de 0, 1 ou les deux en même temps en raison d’une propriété unique appelée superposition. En détenant plus de 100 qubits dans une seule puce, IBM affirme qu’Eagle pourrait augmenter “l’espace mémoire requis pour exécuter des algorithmes”, ce qui aiderait en théorie les ordinateurs quantiques à résoudre des problèmes plus complexes.

“Les gens sont enthousiasmés par les perspectives des ordinateurs quantiques depuis de nombreuses décennies parce que nous avons compris qu’il existe des algorithmes ou des procédures que vous pouvez exécuter sur ces machines et que vous ne pouvez pas exécuter sur des ordinateurs conventionnels ou classiques”, explique David Gosset, professeur agrégé. à l’Institute for Quantum Computing de l’Université de Waterloo, qui travaille avec IBM sur des recherches « qui peuvent accélérer la résolution de certains problèmes spécifiques ».

Voici ce qu’il faut savoir sur ces nouvelles puces et sur l’informatique quantique en général.

Voici comment les ordinateurs quantiques pourraient être utiles

Toute cette technologie sophistiquée soulève la question suivante : à quoi sert une puce quantique, de toute façon ?

Il existe trois grandes catégories de tâches que les scientifiques pensent que les ordinateurs quantiques pourraient faire mieux que les machines traditionnelles. Lorsque les physiciens Richard Feynman et David Deutsch ont proposé pour la première fois des ordinateurs quantiques dans les années 1980, leur idée était de les utiliser pour simuler des systèmes quantiques comme des molécules qui ne peuvent pas être représentées avec précision par les algorithmes classiques et les ordinateurs conventionnels.

Les ordinateurs quantiques sont également aptes à certaines fonctions mathématiques telles que la factorisation d’entiers, un cas d’utilisation proposé pour la première fois par le mathématicien Peter Shor dans les années 1990. Certains systèmes de cryptographie qui cryptaient les données sur Internet s’appuyaient sur la difficulté de ce problème. « Il est vrai que les ordinateurs quantiques peuvent être utilisés pour casser une partie du cryptage actuellement utilisé sur nos machines classiques », déclare Gosset. “Cependant, il existe tout un domaine connu sous le nom de cryptographie post-quantique, et ce domaine vise à développer de nouveaux systèmes de cryptographie classiques qui résistent à la rupture.”

Enfin, les ordinateurs quantiques pourraient effectuer des recherches plus rapides dans une base de données non triée par rapport aux ordinateurs classiques, grâce à un algorithme introduit pour la première fois par l’informaticien Lov Grover.

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À une époque plus moderne, certains clients d’IBM utilisent des ordinateurs quantiques pour simuler des molécules ou la dynamique des problèmes de chimie, tandis que d’autres ont essayé de les appliquer à des tâches d’apprentissage automatique et d’optimisation.

Le voyage qui a conduit à la puce Eagle a commencé en 2016, lorsqu’IBM a publié un ordinateur quantique de 5 qubits sur le cloud appelé Quantum Experience. Depuis lors, la société a sorti une succession de puces avec un nombre croissant de qubits, toutes nommées d’après des oiseaux, et chacune avec son propre ensemble de défis technologiques.

Le matériel informatique quantique d’IBM est composé de circuits supraconducteurs. Les qubits eux-mêmes sont constitués d’un matériau supraconducteur appelé niobium. La disposition du système ressemble à une inductance en parallèle avec un condensateur. Ces deux éléments contrôlent le flux de courant dans le circuit, et l’inducteur est un élément non linéaire appelé Josephson Junction, qui est une jonction nanométrique d’oxyde d’aluminium. Ce type de qubit supraconducteur a été mis au point à Yale dans les années 2000, et en pratique, il ressemble à un atome artificiel qui peut être contrôlé par une séquence d’impulsions micro-ondes.

Le vol du Faucon et du Colibri

Voici comment fonctionnent les puces quantiques, en général.

Fondamentalement, toutes les puces quantiques sont reliées à un système de contrôle doté d’une électronique utilisée pour faire fonctionner le processeur quantique. Ils peuvent transmettre des impulsions à travers les fils aux qubits. « Vous leur parlez en faisant briller des micro-ondes ou en émettant un signal avec une fréquence particulière. Chaque qubit est étiqueté par sa propre fréquence, qui serait comme la couleur de la lumière. C’est comme si chaque qubit avait son propre numéro de série », explique Christopher Wilson, professeur à l’Institute for Quantum Computing de l’Université de Waterloo.

Avec la puce Falcon de 27 qubits, les ingénieurs d’IBM ont dû déterminer comment régler avec précision les jonctions Josephson qu’ils ont créées. “Lorsque vous les fabriquez, votre fabrication entraînera une certaine dispersion de l’énergie totale de l’endroit où ces qubits se retrouvent”, explique Jerry Chow, directeur du développement du système matériel quantique chez IBM Quantum. Pour fabriquer un grand nombre de qubits ayant chacun les bonnes énergies, ils ont mis au point une technique de recuit laser qui leur a permis d’ajuster les fréquences des qubits aux bons endroits après la fabrication de la puce.

La puce juste avant Eagle était Hummingbird à 65 qubits. L’obstacle était la façon dont les qubits individuels étaient lus.

« Avec tous ces qubits, vous devez apporter des fils pour les contrôler, sortir des fils pour les lire, et votre système complet est placé dans un [cryostat to] refroidissez-le, réfrigérez-le », explique Chow. « Nous avons conçu la puce de manière à nous permettre, pour tous les 8 qubits, d’utiliser une seule chaîne de lecture. Cela influence le volume total de composants que nous gardons à l’intérieur du système de réfrigération.

Eagle, leur puce actuelle, avait besoin d’un schéma de câblage efficace. “Quand vous arrivez au 100 [qubit] niveau, c’est juste très difficile d’apporter les fils pour adresser réellement chacun d’eux. C’est juste un problème immobilier », explique Chow. Dans les versions précédentes, les puces étaient « bump bonded », ce qui signifiait avoir une puce avec des qubits et une autre puce avec une partie du câblage. « Même dans ce cas, il est très difficile d’amener tout le câblage aux bons endroits au fur et à mesure que vous évoluez. »

Mais la puce Eagle contient un ensemble de couches qui permettent un câblage à plusieurs niveaux. « Nous sommes en mesure d’intégrer beaucoup plus de circuits de contrôle qui nous permettent de déployer et de déployer les signaux pour traiter le nombre de qubits que nous avons dans Eagle », explique Chow. Dans une animation interactive sur leur article de blog, IBM a décomposé ces couches de haut en bas dans le plan qubit, le plan du résonateur (pour la lecture du qubit), le plan de câblage (achemine les signaux vers le plan qubit) et l’interposeur (délivre les signaux) . Cette conception a été inspirée par les microprocesseurs courants dans les technologies des semi-conducteurs (pensez aux puces informatiques classiques).

Une autre caractéristique de la puce Eagle est la structure en treillis hexagonal qui contient les qubits. “L’idée est que vous avez ces éléments de circuit, qui sont les qubits, et ce que nous devons faire est de connecter les qubits ensemble”, explique Chow. Les qubits sont placés dans un arrangement en nid d’abeille – imaginez un qubit sur chaque sommet et chaque arête. Un élément de circuit appelé bus quantique est utilisé pour relier les qubits voisins. La conception en treillis remonte à la puce Falcon. Cela leur a permis d’avoir un tableau à haute densité de qubits sur un seul graphique, car cela a réduit la quantité de collisions d’énergie entre les qubits, ce qui pourrait réduire les taux d’erreur et préserver le temps de cohérence des qubits.

Le temps de cohérence fait référence à la durée pendant laquelle les qubits restent dans l’état de superposition quantique en forme d’onde. Mais alors que les qubits communiquent entre eux et avec les fils de leur environnement, des informations quantiques s’échappent, entraînant une décohérence. Le temps de cohérence et le temps qu’il faut pour faire une porte quantique “définissent la limite de temps sur la taille d’un calcul que vous pouvez faire”, explique Wilson.

Les temps de cohérence pour Eagle sont de l’ordre de 70 à 110 microsecondes, ce qui est « à égalité avec la médiane de l’une de nos générations précédentes de processeurs Falcon », explique Chow. Cependant, dans une nouvelle génération de Falcon qu’ils développent en parallèle avec Eagle, Chow affirme qu’ils ont pu augmenter le temps de cohérence médian à 300 microsecondes.

« Nous avons testé tous les qubits, vérifié que toutes les portes fonctionnent. Nous continuons toujours à affiner toutes ces portes et à les rendre plus fidèles, moins d’erreurs. Nous avons organisé des démonstrations simples d’enchevêtrement », explique Chow. « Alors que nous continuons à le caractériser complètement, nous allons faire des tests comme le volume quantique pour mesurer la qualité, CLOPS [Circuit Layer Operations per second] pour mesurer la vitesse.

Un système de refroidissement mis à jour pour le prochain Osprey

IBM envisage des puces encore plus grosses : l’une appelée Osprey volerait à 400 qubits et une autre, Condor, à 1 000. Mais pour de telles connexions à haute densité, l’équipe de Chow pense que le système actuel à un seul lustre pourrait ne pas suffire à garder l’ensemble du système au frais.

Le conteneur System One qui abrite leur cryostat lustre actuel ainsi que le câblage et l’électronique de commande entourant l’ordinateur quantique doivent être mis à niveau. « Une chose importante, c’est que nous avons besoin de plus d’espace pour l’environnement cryogénique, c’est donc un réfrigérateur plus grand », explique Chow. « Nous nous sommes associés à Bluefors pour imaginer à quoi ressemblera ce type d’espace de réfrigérateur plus grand et plus utilisable. »

Le nombre est important, mais ce n’est pas tout

De nombreux experts s’accordent à dire qu’il est important de franchir la barrière des 100 qubits, car la plupart des ordinateurs quantiques au cours des dernières années ont oscillé entre 50 et 70 qubits (l’ordinateur de Google qui a atteint la « suprématie quantique » en 2019 avait 53 qubits).

Pour le contexte, le coût de la représentation d’un état quantique dans la mémoire d’un ordinateur classique évolue de manière exponentielle avec chaque qubit ajouté.

“Quand vous parlez de 40 ou 50 qubits, il y a des machines dans le monde qui ont suffisamment de mémoire informatique, ce sont peut-être ces énormes supercalculateurs”, explique Gosset. « C’est la limite de l’endroit où vous pouvez stocker l’état quantique en mémoire en utilisant une quantité ridicule d’espace disque. Mais avec 100 qubits, vous ne pouvez vraiment pas stocker l’état quantique complet dans la mémoire de l’ordinateur.

Cependant, les experts disent que déterminer si l’ordinateur quantique est réellement utile n’est pas seulement une question de nombre de qubits. « Il s’agit de la connectivité de l’appareil, donc de votre capacité à appliquer des portes entre différents qubits », ajoute Gosset. “Cela a aussi à voir avec la fidélité des qubits, en d’autres termes, le taux d’erreurs qui se produisent dans l’appareil.”

Plus d’une façon de faire un ordinateur quantique

Bien que les qubits supraconducteurs soient les matériaux les plus couramment utilisés pour construire un ordinateur quantique, ce n’est certainement pas le seul moyen. “IBM et Google travaillent sur les qubits supraconducteurs et Microsoft sur une approche plus naissante appelée qubits topologiques”, explique Sebastian Will, professeur adjoint de physique à l’Université de Columbia. « Les deux technologies reposent en partie sur des techniques de fabrication et des approches quelque peu similaires aux puces de silicium que nous connaissons des ordinateurs classiques. »

Mais Will note que d’autres plates-formes d’informatique quantique prometteuses, telles que des systèmes basés sur des ions piégés et des atomes neutres, existent également. « À bien des égards, les systèmes informatiques quantiques basés sur des ions ou des atomes neutres sont plus simples que les qubits supraconducteurs, car le qubit n’a pas besoin d’être fabriqué », dit-il. “La nature le fournit simplement sous forme d’ions et d’atomes.”

Honeywell, par exemple, développe des ordinateurs quantiques à ions piégés, utilisant des champs électromagnétiques pour retenir les ions, et des signaux micro-ondes et des lasers pour les coder. Mais dans l’ensemble, ils sont plus fréquents dans les laboratoires universitaires et les petites startups.

Étant donné que l’ingénierie matérielle des ordinateurs quantiques est plus compliquée que celle des ordinateurs classiques, il n’est « pas clair aujourd’hui quelle sera la plate-forme matérielle la plus prometteuse pour les ordinateurs quantiques utiles », explique Will. “Ce qui sera le plus convaincant, c’est une démonstration, où un ordinateur quantique résout mieux un problème pertinent du monde réel qu’un ordinateur classique.”