IBM met progressivement en place les briques technologiques qui doivent le conduire, en 2029, au calcul quantique tolérant aux fautes (FTQC) – ou dit autrement protégé contre les erreurs qui minent aujourd’hui les ordinateurs quantiques. Son objectif à l’horizon 2029 est inchangé : mettre sur pied l’ordinateur quantique Starling, capable d’exécuter 100 millions d’opérations logiques sur les qubits, contre 5000 pour son processeur actuel, Heron. Il y aurait alors matière à exécuter des algorithmes qui apporteraient une véritable rupture dans l’industrie.
Si l’annonce de Big Blue, ce 10 juin, ne modifie pas la destination, elle en modifie le chemin. « On actualise notre feuille de route sur la base d’enseignements très récents, pour nous diriger vers les codes LDPC », confirme Matthias Steffen, situé à New-York, qui chapeaute la R&D d’IBM sur les processeurs quantiques et les codes de correction d’erreurs.
Le code LDPC (low density parity check, ou code de parité à faible densité) est en usage dans les télécommunications. Il corrige les erreurs affectant les bits portant l’information (un bit 0 devient 1 ou vice-versa) grâce à des bits supplémentaires et un algorithme vérifiant la parité des bits entre eux pour retrouver l’information initiale. En théorie, le même principe est applicable au calcul quantique : on peut envisager de distribuer une information quantique sur plusieurs qubits physiques, en les intriquant les uns avec les autres, et de vérifier leur état grâce à des qubits physiques dits « auxiliaires ».
Trop de qubits physiques par qubit logique !
Mais l’entreprise est complexe, car les bits quantiques sont soumis à deux types d’erreurs, contrairement à un bit classique : le renversement de bit (bit flip) et le renversement de phase (phase flip). Par ailleurs, l’extrême vulnérabilité des systèmes physiques qui servent de support à l’information quantique (boucle supraconductrice, atome froid, électron ou ion piégé…) font que ces erreurs sont légion, de l’ordre de 1 pour 1000 opérations réalisées sur un qubit.
Pas facile, donc, mais pas impossible. En décembre 2024, Google avait démontré, grâce à sa puce quantique Willow, que l’usage d’un code de correction d’erreurs réduisait le taux d’erreur affectant les qubits composant la puce et, in fine, préservait plus longtemps leur information quantique. L’entreprise américaine avait fait la preuve expérimentale d’un qubit logique, c’est-à-dire un qubit mieux protégé contre les erreurs que les qubits physiques le composant, grâce à ce code de correction d’erreurs. Celui-ci était un code de surface, le plus populaire chez les acteurs du calcul quantique. Physiquement, il consiste à réaliser une sorte de matrice 2D qui relie chaque qubit d’information à quatre qubits auxiliaires voisins.
Mais il y a un prix à payer pour protéger cette information quantique. Ainsi, pour arriver à un qubit logique bénéficiant d’un taux d’erreur de 1 pour 1 million, l’étude de Google indiquait qu’il fallait près de 1500 qubits physiques. La puce Willow n’en contient que 105, la puce Heron d’IBM, 133… On est loin du compte, à moins d’opter pour une nouvelle stratégie, étudiée depuis quelque temps par IBM – et d’autres acteurs comme le français Alice&Bob en collaboration avec l'Inria.
Une seconde couche pour interconnecter 6 qubits
« Notre équipe a travaillé très dur pour trouver de nouveaux codes de correction d’erreurs qui ne requièrent pas autant de qubits physiques, explique Matthias Steffen. Et c’est ce qu’on a réussi à faire avec le code LDPC en version quantique (qLDPC), aussi appelé Gross Code (gross correspond à une grosse douzaine en français, ndlr). (…). On a découvert qu’il permettait de diviser par 10 le nombre de qubits nécessaires, avec les mêmes performances que le code de surface. »
Ce résultat théorique, objet d’une publication dans Nature l’an dernier, reposait sur une matrice de 144 qubits d’information (soit 12x12) et 144 qubits auxiliaires. Soit un total de 288 qubits physiques pour créer non pas un seul mais 12 qubits logiques. Prometteur, mais là encore, la médaille a son revers, car chaque qubit doit être connecté à 6 qubits : ses 4 voisins et 2 plus éloignés, sous la forme d’un couplage non local. L’architecture actuelle des puces IBM n’est plus adaptée.
« Dans nos processeurs Heron, il existe une couche de connexions à haute qualité entre les qubits, précise Matthias Steffen. Pour le code LDPC, on a besoin d’ajouter une seconde couche. Nous en avons réalisé la preuve de concept, en haute qualité. Dans un hardware récent, nous avons démontré une connectivité à 6 directions. Et nous avons aussi démontré des coupleurs plus longs, jusqu’à 14 millimètres (qu’IBM nomme coupleurs de type C, ndlr). C’est très proche de nos besoins au final. »
« Les performances sont très similaires à ce qu’on observe sur notre processeur Heron : des temps de cohérence de centaines de microsecondes et un taux d’erreur de 1 pour 1000 », poursuit-il. Ces résultats, qui n’ont pas été publiés, constituent les fondations sur lesquelles IBM va désormais bâtir à l’avenir. « Nous mettons au point Loon, qui sera un test de cette architecture d’ici à la fin de l’année, complète Matthias Steffen. Kookaburra, qui viendra en 2026, devra montrer que ce code qLDPC fonctionne sur cette architecture matérielle. »
Diviser par 10 les erreurs sur les qubits physiques
Ce processeur modulaire disposera d’une unité logique composée de 100 qubits physiques. Et, si tout va bien, Cockatoo suivra en 2027, avec pour vocation de démontrer expérimentalement l’intrication entre deux blocs logiques Kookaburra, avec l’appui d’un nouveau type de coupleur (type L). Des noms de code familiers à quiconque a déjà consulté les précédentes feuilles de route d’IBM, mais l’américain semblait encore hésitant sur la piste à suivre pour franchir les étapes. A la faveur de ses dernières expérimentations fructueuses, la ligne directrice est fixée.
Grâce au code qLDPC, l’ordinateur Starling bénéficierait de 200 qubits logiques avec un taux d’erreur de 10-8, ce qui ouvre la porte à des calculs d’optimisation pour la finance notamment. Avant cela, selon Matthias Steffen, le taux d’erreur des qubits physiques devra descendre jusqu’à 10-4, contre 2 ou 3x10-3 aujourd’hui. Starling verra le jour dans le datacenter quantique d’IBM à Poughkeepsie, dans l’état de New-York.
La mitigation d’erreurs, qui ne corrige pas les erreurs mais analyse ce « bruit » pour trouver le bon résultat par extrapolation, est encore à l’ordre du jour. « Certes, cette technique ne passe pas à l’échelle, admet Matthias Steffen. Mais nous sommes convaincus que, en conjonction avec des supercalculateurs classiques, elle apportera un avantage quantique avant l’avènement du FTQC et résoudra des problèmes intéressants. Lesquels ? L’avenir le dira. »
