Google fabrique des « états magiques » quarante fois plus fiables sur sa puce quantique Willow

Huit essais sur cent. C’est la part des tentatives que la puce Willow de Google garde au bout du processus ; les 92 autres partent à la poubelle. Ce gâchis assumé est le prix d’un résultat que l’équipe de Google Quantum AI a publié jeudi 15 octobre dans la revue Science : des « états T » d’une fidélité logique de 99,99 %, soit au plus une erreur sur 10 000, avec des erreurs environ quarante fois moins nombreuses que sans la méthode employée. Son nom : la culture d’états magiques.

Le jour même, Sundar Pichai, le patron d’Alphabet, saluait sur X des progrès « magiques » vers l’« état magique ». Le jeu de mots cache un vrai problème d’ingénierie, identifié dès 2004 et sur lequel les chercheurs butent depuis une vingtaine d’années.

Un ingrédient indispensable, et à usage unique

Pour comprendre, il faut savoir qu’un ordinateur quantique ne calcule pas avec n’importe quelles opérations. Une partie d’entre elles se protègent facilement contre les erreurs, qui sont le fléau de ces machines : le moindre écart de température ou parasite électrique fait dérailler les qubits. Mais ces opérations « faciles » ne suffisent pas. Un ordinateur classique sait simuler sans difficulté un programme qui n’utiliserait qu’elles, ce qui veut dire qu’elles n’apportent à elles seules aucun avantage.

Il manque une pièce, la porte dite « T ». Elle ne se fabrique pas directement de façon fiable : on la réalise en consommant un état quantique préparé à part, l’état magique. Chaque état ne sert qu’une fois. Une machine qui ferait tourner un algorithme sérieux devrait donc en produire en continu, comme une usine alimente une chaîne de montage. Selon certaines estimations reprises par Google, jusqu’à 95 % de la capacité d’un ordinateur quantique pourrait être consacrée à cette seule production.

La méthode classique, la « distillation », consiste à prendre plusieurs états imparfaits et à en tirer un seul, plus pur, au prix d’un grand nombre de qubits. La culture, proposée en 2024 par Craig Gidney, Noah Shutty et Cody Jones, chercheurs chez Google, fonctionne plutôt comme un tamis. On injecte un état bruité dans une petite zone de la puce, on le soumet à une série de mesures coordonnées qui détectent les défauts, on jette les tentatives ratées, puis on fait « grandir » le survivant dans un code correcteur plus vaste. Jusqu’ici, l’idée n’avait été testée qu’en théorie et en simulation.

Des mois perdus sur un instrument de mesure

Le résultat n’est pas venu facilement. Dans le billet qu’ils signent sur le blog de Google, Emma Rosenfeld, chercheuse chez Google Quantum AI, et Craig Gidney racontent que les premières données semblaient contredire la physique. Il a fallu des mois pour remonter à la cause : une hypothèse fausse dans la méthode de mesure elle-même. La dérive des équipements électriques et les variations de température du laboratoire créaient un bruit lent qui faussait les comparaisons et pouvait faire paraître les états meilleurs qu’ils n’étaient.

L’équipe a donc renforcé le contrôle de la puce et inventé une technique d’étalonnage qui utilise la culture pour se mesurer elle-même, ce qui donne une borne basse de la fidélité plutôt qu’une valeur flatteuse. Elle a aussi confié la dernière étape du réglage à un algorithme d’apprentissage par renforcement, qui a amélioré d’environ un ordre de grandeur à la fois la probabilité d’erreur du circuit et la proportion d’essais retenus, selon The Quantum Insider.

« Nous devons encore démontrer la culture d’états magiques à plus grande échelle. »

Emma Rosenfeld et Craig Gidney, Google Quantum AI, sur le blog de Google (traduit de l’anglais)

Les auteurs ne cachent pas les limites. Lorsque les états ont été conservés pendant de longs cycles de correction d’erreurs, le taux d’erreur logique s’est révélé environ sept fois plus élevé que ne le prévoyaient les simulations. Cause probable : des « fuites », quand un qubit sort des deux états qu’il est censé occuper, un phénomène que les simulations n’intégraient pas et que les circuits testés ne corrigeaient pas. Et 8 % de rendement, c’est peu : sur une grande machine, il faudra que ce tamis tourne vite et en parallèle.

Moins de qubits par qubit utile : la promesse d’un préprint

L’autre facture du quantique est celle des qubits. Pour obtenir un seul qubit « logique », fiable, il faut en mobiliser beaucoup de physiques, imparfaits, qui se surveillent mutuellement. Avec le code de surface, la méthode la plus répandue et celle que Google utilise sur Willow, ce ratio se compte en centaines, voire en milliers, quand on vise un haut niveau de protection.

Un préprint déposé le 2 octobre sur arXiv par quatorze chercheurs de Google Quantum AI, de Google DeepMind et du MIT, parmi lesquels Oscar Higgott, Craig Gidney, Pushmeet Kohli et Hartmut Neven, propose une autre voie. Plutôt qu’une immense puce unique, le processeur serait découpé en petits modules plats d’une centaine de qubits, reliés par quelques connexions fixes le long de leurs bords. Sur cette architecture, les auteurs construisent des codes dits « hyperboliques », dont la géométrie permet de loger davantage de qubits logiques dans le même nombre de qubits physiques.

Les chiffres demandent de la lecture fine. Les simulations, réalisées avec deux décodeurs dont AlphaQubit, le réseau de neurones de DeepMind, montrent une réduction d’au moins dix fois du nombre de qubits physiques par rapport au code de surface, y compris quand les liaisons entre modules sont dix fois plus bruitées que les opérations sur la puce. Le « plus de 30 fois » mis en avant par Quantum Computing Report est une extrapolation à des systèmes plus grands, avec un code qui coderait un qubit logique pour seize physiques. Rien n’a été construit : il s’agit de théorie et de simulation, pas encore relues par des pairs.

Ce que ça change, et ce que ça ne change pas

Mis bout à bout, les deux travaux attaquent les deux postes de coût qui rendent aujourd’hui un ordinateur quantique utile si gigantesque sur le papier : la mémoire, avec des codes plus denses, et la production d’états magiques, avec une méthode qui occuperait une petite partie de la puce au lieu de l’essentiel. Les modules plats ont aussi un argument industriel, puisqu’ils conservent les facilités de fabrication des puces planes et évitent les longs croisements de fils sur la puce.

Mais Willow reste une machine de 105 qubits, et l’expérience publiée dans Science en mobilise une cinquantaine pour produire un état à la fois. Google n’a annoncé ni calendrier, ni client, ni revenu pour son activité quantique. The Quantum Insider le résume prudemment : le travail ne prouve pas que le problème des ressources est résolu à une échelle pratique. Le prochain test sera celui que réclament les auteurs eux-mêmes : faire tourner la culture sur une puce plus grande, plus longtemps, sans que les fuites ne fassent remonter les erreurs.