Principal défi de l’informatique quantique: la mémoire de poisson rouge des qubits

IBM dévoile ses ambitions dans l’informatique quantique en communiquant sa feuille de route dans le domaine. Il y a quelques semaines, le fabricant a annoncé un upgrade matériel et logiciel lui ayant permis d’atteindre un volume quantique de 64 (le volume quantique indique la complexité relative d'un problème qui peut être résolu par ces ordinateurs). Big Blue avait ainsi égalé la performance réalisée en début d'année par le groupe industriel Honeywell, avec un processeur de 27 qubits (contrairement aux bits, les qubits peuvent être simultanément dans un état 1 et 0).

L'IBM Q System One est aujourd’hui doté de 65 qubits et son concepteur ne compte pas s'arrêter là. Selon la roadmap publiée, il est prévu d’atteindre 127 qubits en 2021, 433 qubits en 2022 puis 1’121 qubits en 2023. Au-delà, IBM pense que le million de qubits n’a rien d’une utopie.

Contrôler suffisamment longtemps des systèmes de plus en plus grands

Augmenter la capacité des processeurs quantiques n’est évidemment pas une mince affaire. A cause de l'interaction avec le monde extérieur, les qubits oublient rapidement leur état quantique. Une perte de mémoire qui représente le plus grand défi de l'informatique quantique. Le challenge consiste ainsi à pouvoir contrôler suffisamment longtemps l’état des qubits au sein de systèmes de plus en plus grands, avec le moins d'erreurs possibles, expliquent les chercheurs d’IBM.

Pour concevoir son processeur à 127 qubits, IBM va entre autres optimiser la densité des circuits électroniques et la câblage à plusieurs niveaux. L'objectif étant de «répartir efficacement une grande densité de signaux de commande tout en protégeant les qubits dans une couche séparée afin de maintenir des temps de cohérence élevés». Pour l'étape suivante (433 qubits), des contrôles plus efficaces et plus denses devraient garantir que l’augmentation de la capacité ne se fasse pas au dépens des performances individuelles des qubits (notamment via l’introduction de bruit supplémentaire). Quant à la barre des 1’121 qubits, IBM pense pouvoir la franchir en intégrant les leçons tirées des processeurs précédents tout en continuant à réduire les erreurs critiques afin de pouvoir faire fonctionner des circuits quantiques plus longs.

Un réfrigérateur à dilution géant

Les ordinateurs quantiques ne fonctionnant qu’à des températures proches du zéro absolu, le franchissement de ces étapes ne pourra se faire sans la conception d’un réfrigérateur à dilution capable de refroidir et d'isoler efficacement des systèmes toujours plus puissant et volumineux. IBM travaille ainsi sur la conception d’un réfrigérateur présenté comme un mastodonte, de 3 mètres de haut et de 2 mètres de large, en mesure de refroidir un millions de qubits. «Nous envisageons un avenir où les interconnexions quantiques relieront les réfrigérateurs à dilution, chacun contenant un million de qubits, comme l'intranet relie les processeurs des superordinateurs», précisent les chercheurs d’IBM.

Pour plus de détails techniques, lire le billet de blog de Jay Gambetta, vice-président d'IBM Quantum.