Résumé :
Google a annoncé que l'équipe Google Quantum Artificial Intelligence a réussi à surmonter un goulot d'étranglement majeur dans l'informatique quantique : elle a démontré que la solution de "culture de l'état magique" est réalisable sur le processeur Willow, et l'erreur est réduite d'environ 40 fois par rapport à la non-utilisation de cette technologie. Ce résultat révolutionnaire a été publié aujourd'hui dans la revue Science et constitue une étape clé dans la promotion de l'application pratique à grande échelle de l'informatique quantique.
Gout d'étranglement magique
Dès 2004, bien avant que l'informatique quantique ne devienne une direction pratique de l'ingénierie, les chercheurs prédisaient un goulot d'étranglement épineux.
Vous souhaitez réaliser
l'informatique quantique universelle
, pour exécuter un programme ayant une valeur pratique, il doit être capable d’effectuer un ensemble spécifique d’opérations quantiques. Ceci est accompli en préparant d'abord ce que l'on appelle les « états magiques », ainsi nommés parce que ces états quantiques peuvent générer des opérations quantiques au-delà de celles requises pour les calculs classiques.Mais il y a un problème ici : produire des monstres de haute qualité avec correction d'erreurs est extrêmement gourmand en ressources. Certaines estimations montrent qu’un ordinateur quantique peut utiliser jusqu’à 95 % de toute la puissance de calcul pour générer des états magiques, ne laissant que très peu de ressources pour les calculs réels. Il existe une autre difficulté : une fois utilisé, l’état magique ne peut plus être réutilisé et constitue une ressource rare.
Par conséquent, au cours des deux dernières décennies, les chercheurs scientifiques ont continuellement réduit le coût en ressources de la préparation des états magiques.
Comment réaliser cette percée
En 2024, Craig Gidney, Noah Schulti et Cody Jones, chercheurs en IA quantique de Google, ont emprunté des idées à la littérature et les ont optimisées pour développer ce que l'on appelle désormais la
Culture de l'état magique
. technologie. Ce programme devrait réduire considérablement la consommation de ressources. L’idée centrale est la suivante : le processus de culture est comme un filtre. Des états quantiques bruyants sont injectés dans une petite zone de la puce quantique, et une série de mesures hautement coordonnées sont ensuite effectuées pour résoudre les erreurs et éliminer les échantillons non qualifiés. L'équipe de Craig a prouvé qu'avec cette méthode, il est possible de « cultiver » des états quantiques avec une pureté extrêmement élevée et une faible erreur, et de les convertir simultanément en formes de codage pratiques et à plus grande échelle.Cette solution a d'excellents résultats théoriques. S’il peut être implémenté sur du matériel quantique, il peut réduire considérablement l’échelle des ordinateurs quantiques nécessaires aux tâches pratiques.
Comme beaucoup de recherche et de développement de nouvelles technologies, la mise en œuvre d'un projet nécessite une série d'innovations technologiques et de recherches en ingénierie.
Un exemple : lors du premier test du protocole de culture, Emma Rosenfield, chercheuse en IA quantique chez Google, a observé des données qui semblaient défier les lois de la physique. Après des mois de dépannage, de simulations, de discussions entre pairs et de contrôles de cohérence, elle a découvert que le problème provenait d'hypothèses incorrectes dans les méthodes de mesure couramment utilisées par l'équipe. Plus précisément, un type de bruit provoqué par la dérive et les fluctuations de température dans les équipements électriques de laboratoire interfère avec la validité des résultats des tests de référence. L'équipe doit ajuster simultanément le cadre théorique et les plans d'ingénierie. L'équipe de recherche a ajouté des méthodes de contrôle supplémentaires au système pour affaiblir l'impact du bruit ; il a également créé un ensemble de méthodes de test de référence pour utiliser la technologie elle-même comme outil de mesure afin de résoudre le problème à la racine.
En s'appuyant sur cette réussite et sur davantage d'innovations algorithmiques et de solutions d'ingénierie, Google a propulsé la technologie de mesure quantique à un nouveau niveau supérieur. Sur le processeur Willow de Google Quantum AI, ce protocole atteint une compression d'erreur jusqu'à 40 fois supérieure à celle des états quantiques sans traitement de culture ; la fidélité logique de l'état T qui en résulte atteint un niveau record de 99,99 %.
Ce résultat a été publié dans Science. C'est la première fois que l'on démontre une solution réalisable à l'un des goulots d'étranglement des ressources les plus graves de l'informatique quantique, et cela prouve sur du matériel réel que Google peut préparer efficacement cet état magique clé.
Résultats de la recherche et perspectives d'avenir
Google a également vérifié dans un premier temps que la théorie proposée par Craig et d'autres pouvait être adaptée à son architecture informatique quantique. L'équipe a réalisé le passage entre le « code couleur » (un nouveau type de code de correction d'erreur quantique, très approprié pour la culture des états magiques) et le « code de surface » (un schéma de correction d'erreur plus mature), en greffant l'état quantique du code couleur avec une distance de 3 au code de surface avec une distance de 5. Ce protocole de greffage est issu d'un article théorique de 2024. Cette expérience a confirmé que l'état quantique purifié peut survivre de manière stable et être transmis en douceur dans le matériel.
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