Découvrez comment les ingénieurs d’IBM conçoivent des ordinateurs quantiques

Il y a quelques semaines, je me suis réveillé de façon inhabituelle tôt le matin à Brooklyn, j’ai pris ma voiture et j’ai remonté la rivière Hudson jusqu’à la petite communauté du comté de Westchester, Yorktown Heights. Là, au milieu des collines et des vieilles fermes, se trouve le centre de recherche Thomas J. Watson, le siège social d’IBM Research conçu par Eero Saarinen dans les années 1960 à l’époque de l’ère Jet.

Au plus profond de ce bâtiment, à travers des couloirs sans fin et des portes de sécurité gardées par des scanners à iris, se trouve l’endroit où les scientifiques de l’entreprise travaillent dur pour développer ce que le directeur de la recherche d’IBM, Dario Gil, m’a dit être “la prochaine branche de l’informatique”: les ordinateurs quantiques.

J’étais au Watson Center pour prévisualiser la feuille de route technique mise à jour d’IBM pour réaliser une informatique quantique pratique à grande échelle. Cela impliquait beaucoup de discussions sur le “nombre de qubits”, la “cohérence quantique”, “l’atténuation des erreurs”, “l’orchestration logicielle” et d’autres sujets dont vous auriez besoin pour être un ingénieur électricien avec une formation en informatique et une familiarité avec le quantique. mécanique à suivre entièrement.

Je ne suis aucune de ces choses, mais j’ai observé l’espace informatique quantique assez longtemps pour savoir que le travail effectué ici par les chercheurs d’IBM – ainsi que leurs concurrents dans des entreprises comme Google et Microsoft, ainsi que d’innombrables startups à travers le monde – est valable pour conduire le prochain grand saut dans l’informatique. Ce qui, étant donné que l’informatique est une “technologie horizontale qui touche à tout”, comme me l’a dit Gil, aura des implications majeures pour les progrès dans tous les domaines, de la cybersécurité à l’intelligence artificielle en passant par la conception de meilleures batteries.

À condition, bien sûr, qu’ils puissent réellement faire fonctionner ces choses.

Entrer dans le domaine quantique

La meilleure façon de comprendre un ordinateur quantique – à moins de mettre de côté plusieurs années pour des études supérieures au MIT ou à Caltech – est de le comparer au type de machine que je tape cet article sur : un ordinateur classique.

Mon MacBook Air fonctionne sur une puce M1, qui contient 16 milliards de transistors. Chacun de ces transistors peut représenter le « 1 » ou le « 0 » d’une information binaire à la fois – un peu. Le nombre de transistors est ce qui donne à la machine sa puissance de calcul.

Seize milliards de transistors emballés sur une puce de 120,5 mm², c’est beaucoup — TRADIC, le premier ordinateur transistorisé, en avait moins de 800. La capacité de l’industrie des semi-conducteurs à concevoir toujours plus de transistors sur une puce, une tendance prévue par le co-fondateur d’Intel, Gordon Moore dans la loi qui porte son nom, est ce qui a rendu possible la croissance exponentielle de la puissance de calcul, qui à son tour a rendu possible à peu près tout le reste.

L’extérieur d’un ordinateur quantique IBM System One, vu au Thomas J. Watson Research Center.
Bryan Walsh/Vox

Mais il y a des choses que les ordinateurs classiques ne peuvent pas faire et qu’ils ne pourront jamais faire, quel que soit le nombre de transistors placés sur un carré de silicium dans une usine de fabrication de semi-conducteurs de Taiwan (ou “fab”, dans le jargon de l’industrie). Et c’est là qu’interviennent les propriétés uniques et franchement étranges des ordinateurs quantiques.

Au lieu de bits, les ordinateurs quantiques traitent les informations à l’aide de qubits, qui peuvent représenter simultanément “0” et “1”. Comment font-ils cela? Vous mettez mon niveau d’expertise à rude épreuve, mais les qubits utilisent essentiellement le phénomène de mécanique quantique connu sous le nom de “superposition”, selon lequel les propriétés de certaines particules subatomiques ne sont pas définies tant qu’elles ne sont pas mesurées. Pensez au chat de Schrödinger, à la fois mort et vivant jusqu’à ce que vous ouvriez sa boîte.

Un seul qubit est mignon, mais les choses deviennent vraiment excitantes lorsque vous commencez à en ajouter plus. La puissance de calcul classique augmente linéairement avec l’ajout de chaque transistor, mais la puissance d’un ordinateur quantique augmente de façon exponentielle avec l’ajout de chaque nouveau qubit fiable. C’est à cause d’une autre propriété mécanique quantique appelée “intrication”, selon laquelle les probabilités individuelles de chaque qubit peuvent être affectées par les autres qubits du système.

Tout cela signifie que la limite supérieure de la puissance d’un ordinateur quantique exploitable dépasse de loin ce qui serait possible en informatique classique.

Ainsi, les ordinateurs quantiques pourraient théoriquement résoudre des problèmes qu’un ordinateur classique, aussi puissant soit-il, ne pourrait jamais résoudre. Quel genre de problemes? Qu’en est-il de la nature fondamentale de la réalité matérielle, qui, après tout, repose finalement sur la mécanique quantique, et non sur la mécanique classique ? (Désolé, Newton.) “Les ordinateurs quantiques simulent des problèmes que nous rencontrons dans la nature et dans la chimie”, a déclaré Jay Gambetta, vice-président de l’informatique quantique chez IBM.

Les ordinateurs quantiques pourraient simuler les propriétés d’une batterie théorique pour aider à en concevoir une bien plus efficace et puissante que les versions actuelles. Ils pourraient démêler des problèmes logistiques complexes, découvrir des itinéraires de livraison optimaux ou améliorer les prévisions pour la science du climat.

Du côté de la sécurité, les ordinateurs quantiques pourraient casser les méthodes de cryptographie, rendant potentiellement tout, des e-mails aux données financières en passant par les secrets nationaux, incertain. C’est pourquoi la course à la suprématie quantique est également une compétition internationale, dans laquelle le gouvernement chinois investit des milliards. Ces préoccupations ont incité la Maison Blanche plus tôt ce mois-ci à publier un nouveau mémorandum pour concevoir le leadership national en informatique quantique et préparer le pays aux menaces de cybersécurité assistées par quantique.

Au-delà des problèmes de sécurité, les avantages financiers potentiels pourraient être importants. Les entreprises proposent déjà les premiers services d’informatique quantique via le cloud pour des clients comme Exxon Mobil et la banque espagnole BBVA. Alors que le marché mondial de l’informatique quantique valait moins de 500 millions de dollars en 2020, International Data Corporation prévoit qu’il atteindra 8,6 milliards de dollars de revenus d’ici 2027, avec plus de 16 milliards de dollars d’investissements.

Mais rien de tout cela ne sera possible à moins que les chercheurs ne puissent effectuer le dur travail d’ingénierie consistant à transformer un ordinateur quantique de ce qui est encore en grande partie une expérience scientifique en une industrie fiable.

La chambre froide

À l’intérieur du bâtiment Watson, Jerry Chow – qui dirige le centre expérimental d’informatique quantique d’IBM – a ouvert un cube de verre de 9 pieds pour me montrer quelque chose qui ressemblait à un lustre en or : le Quantum System One d’IBM. Une grande partie du lustre est essentiellement un réfrigérateur de haute technologie, avec des bobines qui transportent des superfluides capables de refroidir le matériel à 100e de degré Celsius au-dessus du zéro absolu – plus froid, m’a dit Chow, que l’espace extra-atmosphérique.

La réfrigération est essentielle pour faire fonctionner les ordinateurs quantiques d’IBM, et cela montre également pourquoi cela représente un tel défi d’ingénierie. Alors que les ordinateurs quantiques sont potentiellement beaucoup plus puissants que leurs homologues classiques, ils sont aussi beaucoup, beaucoup plus capricieux.

Vous souvenez-vous de ce que j’ai dit sur les propriétés quantiques de la superposition et de l’intrication ? Alors que les qubits peuvent faire des choses dont un simple bit ne pourrait jamais rêver, la moindre variation de température ou de bruit ou de rayonnement peut leur faire perdre ces propriétés par quelque chose appelé décohérence.

Cette réfrigération sophistiquée est conçue pour empêcher la décohérence des qubits du système avant que l’ordinateur n’ait terminé ses calculs. Les tout premiers qubits supraconducteurs ont perdu leur cohérence en moins d’une nanoseconde, alors qu’aujourd’hui les ordinateurs quantiques les plus avancés d’IBM peuvent maintenir la cohérence jusqu’à 400 microsecondes. (Chaque seconde contient 1 million de microsecondes.)

Le défi auquel IBM et d’autres entreprises sont confrontées est de concevoir des ordinateurs quantiques moins sujets aux erreurs tout en “faisant évoluer les systèmes au-delà de milliers, voire de dizaines de milliers de qubits, jusqu’à peut-être des millions d’entre eux”, a déclaré Chow.

Cela pourrait prendre des années. L’année dernière, IBM a présenté l’Eagle, un processeur de 127 qubits, et dans sa nouvelle feuille de route technique, il vise à dévoiler un processeur de 433 qubits appelé Osprey plus tard cette année, et un ordinateur de plus de 4 000 qubits d’ici 2025. D’ici là , l’informatique quantique pourrait aller au-delà de la phase d’expérimentation, a déclaré le PDG d’IBM, Arvind Krishna, aux journalistes lors d’une conférence de presse au début du mois.

De nombreux experts sont sceptiques quant à l’arrivée d’IBM ou de l’un de ses concurrents, ce qui soulève la possibilité que les problèmes d’ingénierie présentés par les ordinateurs quantiques soient tout simplement trop difficiles pour que les systèmes soient vraiment fiables. “Ce qui s’est passé au cours de la dernière décennie, c’est qu’il y a eu un nombre considérable d’affirmations sur les choses les plus immédiates que vous pouvez faire avec un ordinateur quantique, comme résoudre tous ces problèmes d’apprentissage automatique”, a déclaré Scott Aaronson, expert en informatique quantique à l’Université de Texas, m’a dit l’année dernière. “Mais ces affirmations sont à environ 90% des conneries.” Pour tenir cette promesse, “vous allez avoir besoin d’un développement révolutionnaire”.

Dans un monde de plus en plus numérique, les progrès futurs dépendront de notre capacité à tirer toujours plus parti des ordinateurs que nous créons. Et cela dépendra du travail de chercheurs comme Chow et ses collègues, travaillant dans des laboratoires sans fenêtre pour réaliser un nouveau développement révolutionnaire autour de certains des problèmes les plus difficiles de l’ingénierie informatique – et en cours de route, essayant de construire l’avenir.

Une version de cette histoire a été initialement publiée dans la newsletter Future Perfect. Inscrivez-vous ici pour vous abonner!