Amazon Web Services annonce Ocelot, une puce quantique basée sur des "qubits de chat"
Amazon Web Services annonce Ocelot, une puce quantique basée sur des "qubits de chat", qui résout l'un des principaux obstacles au développement des ordinateurs quantiques, en les rendant exempts d'erreurs
Amazon Web Services (AWS) dévoile Ocelot, une nouvelle puce d'informatique quantique qui peut réduire les coûts de mise en œuvre de la correction d'erreur quantique jusqu'à 90 % par rapport aux approches actuelles. Développé par l'équipe du Center for Quantum Computing d'AWS au California Institute of Technology, Ocelot représente une percée dans la construction d'ordinateurs quantiques tolérants aux pannes, capables de résoudre des problèmes d'importance commerciale et scientifique qui sont hors de portée des ordinateurs conventionnels d'aujourd'hui.
Cette annonce intervient quelques jours seulement après que Microsoft a dévoilé Majorana 1, sa première puce d'informatique quantique, affirmant que ce processeur pourrait permettre à un ordinateur quantique de traiter des données à une vitesse exponentielle par rapport à ce qui est actuellement possible. Cependant, cette affirmation de Microsoft a été remise en question par les scientiques, ces derniers affirmant qu'« il n'y a aucune preuve concluante de la percée ».
En dévoilant sa nouvelle puce Ocelot, Amazon est devenu le troisième géant technologique en quelques mois à annoncer une percée dans le domaine de l'informatique quantique, une technologie qui promet une grande puissance de traitement mais qui est confrontée à des difficultés techniques. La puce Ocelot vise à résoudre l'un des principaux obstacles au développement des ordinateurs quantiques, à savoir les rendre exempts d'erreurs.
AWS a utilisé une nouvelle conception pour l'architecture d'Ocelot, en intégrant la correction d'erreur dès le départ et en utilisant le « qubit de chat ». Les qubits de chat - nommés d'après la célèbre expérience de pensée du chat de Schrödinger - suppriment intrinsèquement certaines formes d'erreurs, réduisant ainsi les ressources nécessaires à la correction quantique des erreurs.
Grâce à cette nouvelle approche avec Ocelot, les chercheurs d'AWS ont, pour la première fois, combiné la technologie des qubits de chat et des composants supplémentaires de correction d'erreurs quantiques sur une micropuce qui peut être fabriquée de manière évolutive en utilisant des processus empruntés à l'industrie de la microélectronique.
Les ordinateurs quantiques utiles pourraient être disponibles dans une décennie
Amazon affirme que, parallèlement à d'autres percées récentes dans le secteur, ses travaux signifient que les ordinateurs quantiques utiles seront probablement parmi nous plus tôt qu'on ne le pensait.
« Avec les récentes avancées de la recherche quantique, il ne s'agit plus de savoir si, mais quand des ordinateurs quantiques pratiques et tolérants aux pannes seront disponibles pour des applications réelles. Ocelot est une étape importante sur cette voie », a indiqué Oskar Painter, directeur du matériel quantique au Center for Quantum Computing d'AWS. « À l'avenir, les puces quantiques construites selon l'architecture Ocelot pourraient ne coûter qu'un cinquième des approches actuelles, en raison de la réduction drastique du nombre de ressources nécessaires à la correction des erreurs. Concrètement, nous pensons que cela permettra d'accélérer de cinq ans le délai de mise au point d'un ordinateur quantique pratique. »
Mais le délai d'attente nécessaire afin que ces machines soient suffisamment puissantes pour être utiles dans la pratique pour une série d'applications commerciales fait l'objet d'un débat parmi les experts.
Oskar Painter a déclaré que les progrès récents signifiaient qu'une « date agressive » d'une décennie était désormais « de plus en plus réaliste ». « Il y a cinq ans, j'aurais dit peut-être 20 ou 30 ans », a-t-il déclaré, avant d'ajouter que « ce calendrier a beaucoup évolué. »
À terme, AWS, qui fournit des services de cloud computing, aimerait proposer des services d'informatique quantique à ses clients, mais Oskar Painter a également déclaré qu'il pensait que les machines avancées pourraient éventuellement aider à optimiser la vaste logistique mondiale de l'activité de vente au détail d'Amazon.
« Vous savez, pour une entreprise comme Amazon, une amélioration de 1 % dans ce domaine représente des sommes considérables, n'est-ce pas ? Les ordinateurs quantiques pourraient vous permettre de le faire plus efficacement, en temps réel, et c'est là que réside la véritable valeur ajoutée », a-t-il expliqué.
Le principal défi de l'informatique quantique
Les ordinateurs quantiques résolvent des problèmes en exploitant les propriétés étranges de la matière et de l'énergie à très petite échelle, décrites par la science de la physique quantique. Les ordinateurs quantiques ne remplaceront pas les ordinateurs dits « classiques », mais ils promettent d'être capables de résoudre des problèmes que même les ordinateurs modernes les plus puissants ne peuvent pas résoudre, ce qui permettra de faire de nouvelles découvertes telles que de meilleures batteries et de nouveaux médicaments.
Ce potentiel est toutefois entravé par le problème des erreurs.
L'un des plus grands défis des ordinateurs quantiques est qu'ils sont incroyablement sensibles aux plus petits changements, ou « bruits », dans leur environnement. Les vibrations, la chaleur, les interférences électromagnétiques des téléphones portables et des réseaux Wi-Fi, voire les rayons cosmiques et les radiations provenant de l'espace extra-atmosphérique, peuvent tous faire sortir les qubits de leur état quantique, provoquant ainsi des erreurs dans les calculs quantiques effectués. Il est donc extrêmement difficile de construire des ordinateurs quantiques capables d'effectuer des calculs fiables et exempts d'erreurs, quelle que soit leur complexité. « Le plus grand défi n'est pas simplement de construire plus de qubits », a déclaré M. Painter. « Il s'agit de les faire fonctionner de manière fiable.
Pour résoudre ce problème, les ordinateurs quantiques s'appuient sur la correction des erreurs qui utilise des codages spéciaux de l'information quantique à travers plusieurs qubits - sous la forme de qubits « logiques » - pour protéger l'information quantique de l'environnement. Cela permet également de détecter et de corriger les erreurs au fur et à mesure qu'elles se produisent. Malheureusement, compte tenu du nombre de qubits nécessaires pour obtenir des résultats précis, les approches actuelles de la correction quantique des erreurs ont un coût énorme, et donc prohibitif.
Qu'est-ce qu'un qubit de chat ?
Les qubits de chat constituent une tentative de résoudre le problème de correction des erreurs quantiques en intégrant la résistance aux erreurs dans la conception des qubits qu'ils utilisent. Les qubits sont les éléments fondamentaux des ordinateurs quantiques, l'équivalent des bits dans les ordinateurs que la plupart d'entre nous utilisent aujourd'hui.
Les qubits de chat sont nommés en l'honneur d'Erwin Schrödinger, dont la question du chat dans une boîte, posée en 1935, a permis d'éclairer une partie de la réflexion sur la théorie quantique.
Amazon estime que la nouvelle puce, qui ne comporte que cinq qubits de chat sur un total de 14 composants clés, pourrait réduire les coûts de correction des erreurs quantiques de 90 % par rapport aux approches actuelles.
La technologie des qubits de chat n'est pas l'apanage d'Amazon. Une société française, Alice & Bob, a effectué des travaux pionniers sur cette technologie et continue de la faire évoluer.
Mazyar Mirrahimi, directeur de recherche à l'Inria, l'institut national français de recherche technologique, a déclaré qu'Ocelot constituait « une avancée importante vers l'informatique quantique tolérante aux pannes et efficace sur le plan matériel ».
Amazon estime que la nouvelle puce offre une voie vers la mise à l'échelle de machines plus puissantes dotées de ce type de protection contre les erreurs, mais les chercheurs admettent qu'il reste de nombreux défis à relever.
Michael Cuthbert, directeur du National Quantum Computing Centre du Royaume-Uni, s'est félicité des progrès réalisés par Amazon, mais a déclaré qu'il restait à voir l'effet que cela aurait sur la vitesse à laquelle l'industrie serait en mesure de développer des ordinateurs quantiques réellement utiles :
« La correction des erreurs est une étape vitale nécessaire au développement à long terme de l'informatique quantique. C'est l'étape cruciale qui fera de l'informatique quantique un outil pratique et commercial que nous pourrons utiliser pour résoudre des problèmes complexes dans les domaines de la chimie, de la science des matériaux, de la médecine, de la logistique et de l'énergie », a déclaré Michael Cuthbert. « Une partie du défi consiste à savoir comment mettre à l'échelle cette technologie révolutionnaire de manière efficace - les mécanismes qui permettent la correction des erreurs sans entraîner d'énormes surcoûts en termes de taille des puces, de consommation d'énergie et de complexité des systèmes sont vraiment les bienvenus. »
Une nouvelle approche de la correction quantique des erreurs
Pour résoudre les problèmes actuels liés à la correction des erreurs quantiques, les chercheurs d'AWS ont mis au point Ocelot. Ocelot a été conçu dès le départ avec une correction d'erreur « intégrée ».
« Nous avons étudié la façon dont d'autres abordaient la correction des erreurs quantiques et avons décidé de suivre une voie différente », explique Oskar Painter. « Nous n'avons pas pris une architecture existante et essayé d'y incorporer la correction d'erreur par la suite. Nous avons choisi notre qubit et notre architecture en plaçant la correction des erreurs quantiques en tête de nos exigences. Nous pensons que si nous voulons réaliser des ordinateurs quantiques pratiques, la correction des erreurs doit venir en premier ».
En fait, selon Oskar Painter, son équipe estime que la mise à l'échelle d'Ocelot pour en faire « un ordinateur quantique à part entière capable d'avoir un impact sociétal transformateur ne nécessiterait qu'un dixième des ressources associées aux approches de correction des erreurs quantiques standard. »
La correction quantique peut être envisagée dans le contexte du contrôle de la qualité dans l'industrie manufacturière et de la différence entre un point d'inspection pour détecter tous les défauts au lieu de dix points d'inspection. En d'autres termes, la correction quantique permet d'obtenir le même résultat, mais avec moins de ressources et un processus de fabrication globalement amélioré.
En réduisant la quantité de ressources nécessaires grâce à des approches telles qu'Ocelot, les ordinateurs quantiques peuvent être construits plus petits, plus fiables et à moindre coût. Tout cela accélère la voie vers l'application de l'informatique quantique à de futures applications dans le monde réel, telles que l'accélération de la découverte et du développement de médicaments, la production de nouveaux matériaux, la capacité à faire des prédictions plus précises sur les risques et les stratégies d'investissement sur les marchés financiers, et bien d'autres choses encore.
Les chercheurs d'Amazon ont publié leurs résultats dans un article de recherche paru dans la revue scientifique Nature.
Faire de la science-fiction une réalité
Si l'annonce d'AWS constitue un début prometteur, Ocelot n'est encore qu'un prototype et AWS s'engage à continuer d'investir dans la recherche quantique et à affiner son approche. De la même manière qu'il a fallu de nombreuses années de développement et d'apprentissage de l'exécution à grande échelle de systèmes x86 (une architecture informatique largement utilisée pour les CPU) de manière fiable et sécurisée pour faire de Graviton l'une des principales puces du cloud, AWS adopte une approche similaire pour l'informatique quantique.
« Nous ne faisons que commencer et nous pensons que nous avons encore plusieurs étapes de mise à l'échelle à franchir », a déclaré Oskar Painter. « Il s'agit d'un problème très difficile à résoudre, et nous devrons continuer à investir dans la recherche fondamentale, tout en restant en contact avec les travaux importants menés dans les universités et en tirant des enseignements de ces travaux. Pour l'instant, notre tâche consiste à continuer d'innover dans l'ensemble de l'informatique quantique, à continuer d'examiner si nous utilisons la bonne architecture et à incorporer ces enseignements dans nos efforts d'ingénierie. C'est une roue d'inertie de l'amélioration continue et de la mise à l'échelle. »
Point de pivot
Amazon rejoint Microsoft et Google dans l'annonce d'une nouvelle puce expérimentale. Mais cette vague d'annonces est-elle le résultat d'une recherche intelligente ou de relations publiques astucieuses ? Ou s'agit-il d'une coïncidence, l'équivalent technologique de l'adage selon lequel les autobus arrivent toujours par trois ?
Heather West, qui suit le secteur de l'informatique quantique en tant que responsable de la recherche pour l'International Data Corporation, a été informée de la nouvelle puce par Amazon avant sa publication. Elle décrit les résultats d'Amazon comme une « avancée » plutôt qu'une percée.
Les trois annonces récentes se sont toutes concentrées sur la réduction des erreurs et, selon Heather West, l'industrie « pivote » pour passer d'une focalisation sur le nombre de qubits à une focalisation sur « la capacité d'utiliser ces systèmes à l'échelle pour résoudre des problèmes concrets dans la vie de tous les jours. Pour ce faire, nous devons être en mesure de résoudre le problème de la correction des erreurs au sein des systèmes quantiques ».
Toutefois, Oskar Painter a reconnu à 100 % qu'il ne serait pas facile de mettre à l'échelle les systèmes expérimentaux d'aujourd'hui.
Cette dernière affirmation va dans le sens de la récente déclaration de Jensen Huang, PDG de Nvidia, qui estime que l'utilisation pratique de la technologie ne se fera probablement pas avant 20 ans. Une déclaration qui a conduit à la chute des actions liées à l'informatique quantique, interrompant ainsi un rallye de près d'un an.
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