Suprématie quantique à sept ans : ce que Google et IBM ont réellement livré

La revendication de suprématie quantique de Google, publiée dans Nature le 23 octobre 2019, a couronné une course de deux ans qui avait commencé lorsque John Martinis a promis une étape majeure d'ici la fin de 2017. L'entreprise affirme que son processeur Sycamore à 53 qubits a traité une tâche d'échantillonnage en 200 secondes, alors qu'un superordinateur de pointe en aurait mis environ 10 000 ans.

C'est le chiffre qui titrerait les journaux. L'argument sous-jacent est plus étroit, et ceux qui construisent des machines concurrentes ont passé les années suivantes à l'expliquer. Voici une reconstruction de la manière dont cette étape a été fixée, atteinte et contestée, tirée des reportages qui en ont traité.

L'échéance que Martinis s'est fixée

En avril 2017, MIT Technology Review a publié un portrait de Martinis, qui avait rejoint Google fin 2014 en provenance de l'Université de Californie à Santa Barbara et dirigeait un groupe d'environ 25 chercheurs. Il a déclaré au magazine que son équipe construirait un appareil atteignant la suprématie quantique d'ici la fin de cette année-là, capable d'exécuter un calcul spécifique hors de portée de tout ordinateur conventionnel. La preuve viendrait d'une course en ligne droite entre la puce de Google et l'un des plus grands superordinateurs du monde.

À l'époque, Google avait publié les résultats d'une puce à neuf qubits alignés en ligne. Le nouvel appareil n'en comptait que six, mais ils étaient disposés sur une grille de deux par trois, ce qui, selon Martinis, montrait que la technologie fonctionnait encore lorsque les qubits étaient placés côte à côte. La puce à six qubits testait également un procédé de fabrication où les qubits et leurs fils de contrôle sont fabriqués sur des puces séparées puis assemblés par collage par points, un processus que Martinis disait opérationnel.

Il a indiqué que les conceptions d'appareils à 30 ou 50 qubits étaient déjà en cours, et qu'il aurait besoin d'une grille de 49 qubits pour l'expérience de suprématie.

« Nous pensons être prêts à réaliser cette expérience. C'est quelque chose que nous pouvons faire maintenant », a déclaré Martinis à MIT Technology Review.

Tout le monde ne cernait pas l'objectif de la même manière. Chris Monroe, professeur à l'Université du Maryland et cofondateur de la startup IonQ, l'a qualifié d'étape académique. « Après, il faut encore trouver comment le rendre plus scalable et programmable », a-t-il dit. Simon Gustavsson, chercheur principal dans un groupe d'informatique quantique du MIT, plaçait Google et IBM sur un pied d'égalité à ce stade.

IBM répond avec 50 qubits

IBM a pris de l'avance sur le nombre brut. Le 10 novembre 2017, Associated Press a rapporté que des scientifiques d'IBM avaient construit et mesuré un prototype de processeur à 50 qubits. Dario Gil, qui dirigeait la division de recherche en informatique quantique et intelligence artificielle d'IBM, a déclaré qu'il s'agissait de la première fois qu'une entreprise construisait un ordinateur quantique à cette échelle.

Seth Lloyd, professeur en génie mécanique au MIT non impliqué dans le travail, a estimé qu'IBM avait probablement encore des bugs à régler, mais a qualifié l'annonce d'un signe de progrès significatif. L'AP n'a pas rapporté de résultat de référence lié au prototype à 50 qubits. L'échelle et les performances démontrées commençaient déjà à se séparer en deux conversations distinctes.

Décembre 2017, Martinis faisait cette distinction explicitement lors d'une conférence. Gizmodo a rapporté depuis l'événement Q2B à NASA Ames qu'il s'est opposé au comptage des qubits comme score. « Les communiqués de presse parlent toujours de course à l'espace quantique en nombre de qubits », a-t-il dit. « C'est plus que la quantité, c'est la qualité des qubits. »

Lors de la même conférence, Martinis a déclaré que Google fabriquait son appareil de suprématie à 49 ou 50 qubits ce mois-là et commencerait les tests dans deux semaines, hors les retards de Noël. Il a décrit l'expérience : intriquer les qubits, laisser le système évoluer, puis mesurer des résultats dont les probabilités sont si complexes qu'une machine classique doit simuler l'ordinateur quantique pour les vérifier, ce qui peut prendre des semaines pour ce que le dispositif quantique fait en minutes.

John Preskill, théoricien du Caltech, intervenant au même événement, a nommé cette période l'ère NISQ, pour ordinateurs quantiques intermédiaires bruités, et a déclaré que les progrès vers une machine tolérante aux erreurs devaient se poursuivre.

Suprématie, puis la réaction

Le résultat de 2019 est arrivé dans un article obtenu par Fortune après avoir été brièvement posté sur NASA.gov, puis retiré. Google a refusé de confirmer son authenticité à l'époque. Le blog de l'entreprise a plus tard décrit le calcul de test comme prenant 200 secondes contre des milliers d'années pour les meilleurs algorithmes connus sur les superordinateurs les plus puissants. L'article indiquait qu'un serveur Google Cloud aurait besoin de 50 billions d'heures pour la même tâche, et que sur le processeur quantique, il a fallu 30 secondes.

Sycamore comptait 53 qubits, réduits depuis une conception à 72 qubits appelée Bristlecone. Les chercheurs ont écrit que l'accélération quantique est réalisable dans un système du monde réel et n'est pas interdite par des lois physiques cachées, et ont prédit que la puissance de calcul quantique croîtrait à un taux doublement exponentiel.

Dario Gil d'IBM a rejeté le cadrage plutôt que l'expérience. Il a dit à Fortune que le test était une expérience de laboratoire très spéciale sans applications pratiques, et que les ordinateurs quantiques fonctionneraient en concert avec les machines classiques plutôt que de régner sur elles. Jim Clarke, directeur du matériel quantique chez Intel Labs, l'a qualifié de jalon notable et a dit qu'un ordinateur quantique commerciable exigerait bien plus de progrès.

Depuis, le domaine a continué à avancer sur le problème qui compte plus que n'importe quel benchmark unique : la correction d'erreurs. Des recherches publiées ont décrit la factorisation avec beaucoup moins d'années-cœurs de CPU que les estimations antérieures, et les récents titres autour d'IonQ, Infleqtion et d'une feuille de route du Département de l'Énergie pointent tous dans la même direction. Rien de cela n'efface 2019. Cela confirme simplement ce que Monroe a dit au début : l'étape était un début, pas une ligne d'arrivée.