Cette année, les progrès de l'informatique quantique seront moins définis par les grandes annonces concernant l'évolution du matériel que par des chercheurs qui consolideront des années de travail acharné, qui feront en sorte que les puces communiquent entre elles et qui tenteront de réduire le bruit des qubits à mesure que le domaine s'internationalisera.
Pendant des années, la couverture médiatique de l'informatique quantique a été dominée par les gros titres sur les systèmes battant des records. Les chercheurs de Google et d'IBM se sont livrés bataille pour savoir qui avait réalisé quoi et si cela en valait la peine. Toutefois, le temps des disputes pour savoir qui a le plus gros processeur semble révolu : les entreprises se préparent à la vie dans le monde réel. Tout à coup, tout le monde se met à se comporter en adulte.
Comme pour souligner à quel point les chercheurs veulent descendre du train de la hype, IBM devrait annoncer en 2023 un processeur qui prend le contre-pied de la tendance à mettre toujours plus de bits quantiques, ou "qubits", en jeu. Les qubits - unités de traitement des ordinateurs quantiques - peuvent être construits à partir de diverses technologies notamment des circuits supraconducteurs, des ions piégés et des photons, c'est-à-dire des particules quantiques de la lumière.
IBM s'intéresse depuis longtemps aux qubits supraconducteurs et, au fil des années, l'entreprise n'a cessé d'augmenter le nombre de qubits qu'elle peut intégrer à une puce. En 2021, par exemple, IBM a dévoilé une puce contenant un nombre record de 127 qubits. En novembre dernier, elle a présenté son processeur Osprey de 433 qubits et la société a pour objectif de lancer un processeur de 1 121 qubits appelé Condor en 2023.
Cependant cette année, IBM devrait également présenter son processeur Heron qui ne comptera que 133 qubits. On pourrait considérer cela comme un pas en arrière mais, comme l'entreprise tient à le souligner, les qubits de Heron seront de la plus haute qualité. Et, élément crucial, chaque puce pourra se connecter directement à d'autres processeurs Heron. Cela laisse présager le passage de puces uniques de calcul quantique à des ordinateurs quantiques "modulaires" construits à partir de plusieurs processeurs connectés entre eux. Une évolution qui devrait permettre d'augmenter considérablement l'échelle des ordinateurs quantiques.
Heron incarne le signe de changements plus importants dans le secteur de l'informatique quantique. Grâce à certaines percées récentes, à une feuille de route agressive et à des niveaux de financements élevés, nous pourrions voir des ordinateurs quantiques polyvalents plus tôt que ce que beaucoup auraient prévu il y a seulement quelques années, selon certains experts. "Dans l'ensemble, les choses progressent certainement à un rythme rapide", déclare Michele Mosca, directeur adjoint de l'Institute for Quantum Computing de l'université de Waterloo.
Voici quelques domaines dans lesquels les experts s'attendent à voir des progrès.
L'année 2023 va-t-elle être synonyme de production d'ordinateurs quantiques à la chaîne ?
Le projet Heron d'IBM n'est qu'un premier pas dans le monde de l'informatique quantique modulaire. Les puces seront connectées à l'électronique conventionnelle et ne pourront donc pas maintenir le caractère "quantique" de l'information lorsqu'elle passe d'un processeur à l'autre. Mais on espère que ces puces, reliées entre elles par des connexions à fibres optiques ou à micro-ondes compatibles avec l'informatique quantique, ouvriront la voie à des ordinateurs quantiques distribués à grande échelle pouvant compter jusqu'à un million de qubits connectés. Cela pourrait être le nombre nécessaire pour exécuter des algorithmes quantiques utiles et corrigés des erreurs. "Nous avons besoin de technologies qui évoluent à la fois en termes de taille et de coût. La modularité est donc essentielle", explique Jerry Chow, directeur du développement de systèmes matériels quantiques chez IBM.
D'autres entreprises se lancent dans des expériences similaires. "Connecter des objets entre eux est devenu un thème majeur", souligne Peter Shadbolt, directeur scientifique de PsiQuantum, qui utilise des photons comme qubits. PsiQuantum finalise les travaux pour une puce modulaire en silicium. D'après Peter Shadbolt, la dernière pièce dont l'entreprise a besoin - un commutateur optique extrêmement rapide et à faible perte - sera entièrement démontrée d'ici à la fin de 2023. "Nous disposerons alors d'une puce complète", s'enthousiasme-t-il. La construction à grande échelle pourra alors débuter : "Nous prendrons toutes les puces en silicium que nous fabriquons et les assemblerons dans ce qui sera un système de type ordinateur haute performance à l'échelle d'un bâtiment".
Le désir de faire la navette entre les qubits et les processeurs signifie qu'une technologie quantique quelque peu négligée va maintenant passer au premier plan, selon Jack Hidary, PDG de SandboxAQ, une société de technologie quantique qui a été séparée d'Alphabet l'an dernier. D'après lui, les communications quantiques, qui permettent de transférer des qubits cohérents sur des distances pouvant atteindre des centaines de kilomètres, seront un élément essentiel de l'informatique quantique en 2023.
"La seule voie pour mettre à l'informatique quantique à l'échelle est de créer des modules de quelques milliers de qubits et de commercer à la relier pour obtenir une liaison cohérente", déclare Jack Hidary auprès de la MIT Technology Review. "Cela pourrait se faire dans la même pièce mais aussi à l'autre bout du campus ou de la ville. Nous connaissons la puissance du calcul distribué à partir du monde classique mais pour le quantique nous devons avoir des liaisons cohérentes : soit un réseau de fibres optiques avec des répéteurs quantiques soit une fibre qui va vers une station terrestre et un réseau de satellites".
Plusieurs de ces composants de communication ont été démontrés ces dernières années. En 2017, par exemple, le satellite chinois Micius a montré que des communications quantiques cohérentes pouvaient être réalisées entre des noeuds séparés par 1 200 kilomètres. Et en mars 2022, un groupe international de chercheurs universitaires et industriels a fait la démonstration d'un répéteur quantique qui relayait efficacement des informations quantiques sur 600 kilomètres de fibre optique.
Informatique quantique : IBM, Google Quantum et d'autres entreprises cherchent des moyens de corriger les erreurs
En même temps que l'industrie relie les qubits, elle s'éloigne également d'une idée en vogue ces cinq dernières années à savoir que les puces ne comportant que quelques centaines de qubits pourraient être capables d'effectuer des calculs utiles et ce même si le bruit perturbe facilement leur fonctionnement.
Cette notion, appelée "quantique bruyante à échelle intermédiaire (NISQ), aurait été un moyen de voir certains avantages à court terme de l'informatique quantique et ce potentiellement des années avant d'atteindre l'idéal des ordinateurs quantiques à grande échelle avec plusieurs centaines de milliers de qubits consacrés à la corrections des erreurs. Toutefois, l'optimisme concernant la NISQ semble s'estomper. "L'espoir était que ces ordinateurs puissent être utilisés bien avant toute correction d'erreur mais l'accent n'est plus mis là-dessus", analyse Joe Fitzsimons, PDG d'Horizon Quantum Computing, basé à Singapour.
Certaines entreprises s'attaquent à la forme classique de correction des erreurs en utilisant certains qubits pour corriger les erreurs des autres. L'année dernière, Google Quantum AI et Quantinuum, une nouvelle société formée par Honeywell et Cambridhe Quantum Computing, ont publié des articles démontrant que les qubits peuvent être réunis en ensembles de correctifs d'erreurs plus performants que les qubits physiques sous-jacents.
D'autres équipes essaient de voir si elles peuvent trouver un moyen de rendre les ordinateurs quantiques "tolérants aux pannes" sans autant de frais généraux. IBM, par exemple, a exploré la possibilité de caractériser le bruit induisant des erreurs dans ses machines puis de programmer un moyen de le supprimer (comme le font les casques antibruit). Ce système est loin d'être parfait : l'algorithme fonctionne à partir d'une prédiction du bruit susceptible de se produire et non de ce qui se produit réellement. Mais il fait un travail décent, à en croire Jerry Chow : "Nous pouvons construire un code correcteur d'erreurs avec un coût de ressources beaucoup plus faible, ce qui rend la correction d'erreurs accessible à court terme".
La société IonQ, basée dans le Maryland, qui a construit des ordinateurs quantiques à ions piégées, fait quelque chose de similaire. "La majorité de nos erreurs sont imposées par nous lorsque nous piquons les ions et exécutons des programmes", précise Chris Monroe, scientifique en chef chez IonQ. "Ce bruit est identifiable et différents types d'atténuation nous ont permis de vraiment pousser nos chiffres".
Dispositifs quantiques : un besoin d'innover dans le domaine de la programmation
Malgré tous les progrès réalisés en termes de matériel, de nombreux chercheurs estiment qu'il faut accorder plus d'attention à la programmation. "Notre boîte à outils est définitivement limitée par rapport à ce dont nous aurons besoin dans dix ans", déclare Michal Stechly de Zapata Computing, une société de logiciels quantiques basée à Boston.
La façon dont le code s'exécute sur un ordinateur quantique accessible par le cloud est généralement "basée sur des circuits", ce qui signifie que les données sont soumises à une série spécifique et prédéfinie d'opérations quantiques avant qu'une mesure quantique finale ne soit effectuée donnant ainsi la sortie. Selon Joe Fitzsimons, cela pose un problème aux concepteurs d'algorithmes. Les routines de programmation conventionnelles ont tendance à faire tourner en boucle certaines étapes jusqu'à ce que le résultat souhaité soit atteint, puis à passer à une autre sous-routine. Dans l'informatique quantique basée sur des circuits, l'obtention d'un résultat met généralement fin au calcul : il n'est pas possible de recommencer.
Horizon Quantum Computing est l'une des entreprises qui ont mis au point des outils de programmation pour permettre ces routines de calcul flexibles. "Nous allons commencer à mettre en place un accès anticipé au cours de l'année prochaine", indique Joe Fitzsimons.
Algorithmiq, basée à Helsinki, innove également dans le domaine de la programmation. "Nous avons besoin de cadres non standard pour programmer les dispositifs quantiques actuels", explique Sabrina Maniscalco, PDG de l'entreprise. Aurora, la plateforme de découverte de médicaments récemment lancée par Algorithmiq, combine les résultats d'un calcul quantique avec des algorithmes classiques. Ce type d'informatique quantique "hybride" est un domaine en plein essor et il est largement reconnu que c'est la façon dont le domaine devrait fonctionner à long terme. L'entreprise affirme qu'elle prévoit d'atteindre un avantage quantique utile, c'est-à-dire de démonter qu'un système quantique peut surpasser un ordinateur classique dans des calculs pertinents du monde réel, en 2023.
Informatique quantique : des changements à venir au niveau politique dans un contexte de concurrence internationale ?
Des changements sont également à prévoir sur le plan politique. Des représentants du gouvernement, dont Alan Estevez, sous-secrétaire d'Etat américain au commerce pour l'industrie et la sécurité, ont laissé entendre que des restrictions commerciales concernant les technologiques quantiques étaient à venir.
Tony Uttley, directeur de l'exploitation de Quantinuum confie qu'il est en dialogue actif avec le gouvernement américain pour s'assurer que cela n'affecte pas négativement ce qui est encore une jeune industrie. "Environ 80% de notre système est constitué de composants ou de sous-systèmes que nous achetons en dehors des Etats-Unis", dit-il. "Mettre un contrôle sur eux n'aide pas et nous ne voulons pas nous mettre dans une situation désavantageuse quand nous sommes en concurrence avec d'autres entreprises dans d'autres pays du monde".
Les concurrents ne manquent pas. L'année dernière, la société de recherche chinoise Baidu a ouvert l'accès à un processeur supraconducteur de 10 qubits qui, espère-t-elle, aidera les chercheurs à faire des incursions dans l'application de l'informatique quantique à des domaines tels que la conception de matériaux et le développement pharmaceutique. La société affirme avoir récemment achevé la conception d'une puce quantique supraconductrice de 36 qubits. "Baidu continuera à faire des percées dans l'intégration de logiciels et de matériels quantiques et à faciliter l'industrialisation de l'informatique quantique", a déclaré un porte-parole de la société auprès de la MIT Technology Review. Le géant technologique Alibaba dispose également de chercheurs travaillant sur l'informatique quantique avec des qubits supraconducteurs.
Au Japon, Fujitsu collabore avec l'institut de recherche Riken pour offrir aux entreprises un accès au premier ordinateur quantique national au cours de l'exercice fiscal débutant en avril 2023. Il sera doté de 64 qubits supraconducteurs. "Dans un premier temps, l'accent sera mis sur les applications pour le développement de matériaux, la découverte de médicaments et la finance", détaille Shintaro Sato, responsable du laboratoire quantique de Fujitsu Research.
Cependant, tout le monde ne suit pas le chemin bien tracé de la supraconductivité. En 2020, le gouvernement indien s'est engagé à consacrer 80 milliards de roupies (1,12 milliard de dollars au moment de l'annonce) aux technologies quantiques. Une bonne partie de cette somme sera consacrée aux technologies photoniques - pour les communications quantiques par satellite et pour l'informatique photonique innovante "qudit".
Les qubits élargissent le champ de codage de leurs données - ils offrent trois, quatre voire plus de dimensions, par opposition aux traditionnels 0 et 1 binaires et cela sans nécessairement augmenter le risque d'erreurs. "C'est le genre de travail qui nous permettra de créer une niche, plutôt que de concurrencer ce qui se fait déjà depuis plusieurs décennies ailleurs", déclare Urbasi Sinha, qui dirige le laboratoire d'information et d'informatique quantique du Raman Research Institute de Bangalore, en Inde.
Bien que les choses deviennent sérieuses et qu'il y ait une concurrence internationale, la technologie quantique reste largement collaborative - du moins pour l'instant. "Ce qui est bien dans ce domaine, c'est que la concurrence est féroce mais nous reconnaissons tous qu'elle est nécessaire", estime Chris Monroe. "Nous n'avons pas une mentalité de jeu à somme nulle : il existe différentes technologies, à différents niveaux de maturité et nous jouons tous ensemble pour l'instant. À un moment donné, il y aura une sorte de consolidation mais ce n'est pas encore le cas".
Article de Michael Brooks, traduit de l'anglais par Kozi Pastakia.
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