Les nouveaux « réfrigérateurs quantiques » d'IBM sont près de 200 fois plus froids que l'espace profond et pourraient ouvrir la voie à une informatique quantique tolérante aux pannes.
infohightech ·
Le nouveau système cryogénique modulaire d'IBM relie des puces quantiques pour surmonter les principaux obstacles liés à l'infrastructure et ouvrir la voie à un système puissant d'ici 2029.
IBM a dévoilé un nouveau système modulaire ultra-froid conçu pour relier des centaines de puces d'ordinateurs quantiques afin de résoudre l'un des plus importants goulots d'étranglement en matière d'infrastructures dans ce domaine.
L'entreprise affirme que ses nouveaux « réfrigérateurs quantiques » lui permettront de livrer le premier ordinateur quantique tolérant aux pannes au monde en 2029. Ces systèmes stables utilisent des techniques de correction d'erreurs quantiques pour corriger le bruit en temps réel et exécuter des opérations quantiques sans interruption.
L'obtention d'une tolérance aux pannes permettrait aux informaticiens de mener de nouvelles recherches dans un large éventail de domaines . Que ce soit en chimie, en science des matériaux ou en physique théorique, les chercheurs pourraient effectuer des opérations quantiques bien au-delà des capacités des supercalculateurs actuels, sans craindre que des erreurs excessives ne rendent les calculs inutilisables.
Jusqu'à présent, l'un des principaux obstacles entre les systèmes actuels, sujets aux erreurs, et les ordinateurs quantiques supraconducteurs tolérants aux pannes, capables d'effectuer cent millions d'opérations sans le moindre problème, résidait dans l'infrastructure. Les représentants d'IBM affirment avoir résolu ce problème grâce à leurs réfrigérateurs quantiques modulaires et interconnectés.
IBM dévoile ses modules cryogéniques pour une informatique quantique tolérante aux pannes à grande échelle - YouTube
Le nouveau système cryogénique comprend des unités individuelles mesurant 2,4 m de haut sur 2,4 m de large, avec une capacité interne d'environ 0,25 m³.
Il ressemble à un réfrigérateur domestique et fonctionne de la même manière, mais il peut atteindre des températures aussi basses que 10 millikelvins (moins 459,65 degrés Fahrenheit, ou moins 273,14 degrés Celsius) — proches du zéro absolu , la température théorique la plus froide possible — ce qui est plus de 180 fois plus froid que l'espace profond .
Ces températures extrêmement basses sont nécessaires au bon fonctionnement des unités de traitement quantique supraconductrices (QPU) d'IBM , et la conception modulaire permet aux ingénieurs d'étendre les capacités et l'alimentation d'un système étape par étape.
Selon les représentants d'IBM, cette étape importante représente la première fois que des scientifiques ont démontré l'interconnexion entre les QPU de modules cryogéniques distincts.
Informatique quantique modulaire
À l'instar des ordinateurs classiques, les ordinateurs quantiques supraconducteurs utilisent des circuits intégrés, ou « portes », pour effectuer les opérations de traitement. Cependant, le nombre de qubits par puce est limité, et chaque puce doit être refroidie à une température inférieure à 15 mK (soit -273,14 °C) pour fonctionner correctement dans l'architecture d'IBM.
Cela s'explique par le fait que les qubits sont intrinsèquement bruyants, c'est-à-dire qu'ils sont naturellement beaucoup plus sujets aux erreurs que les composants informatiques classiques. Pour exploiter les propriétés quantiques des métaux supraconducteurs qui constituent les qubits sans que les calculs échouent, les scientifiques doivent minimiser les interférences thermiques ainsi que celles d'autres stimuli, comme les ondes électromagnétiques .
Pour atteindre ces températures dans les nouveaux réfrigérateurs, les ingénieurs utilisent des équipements cryogéniques tiers qui reposent sur des compresseurs cryogéniques à hélium associés à des moteurs frigorifiques à dilution commerciaux. Ils assurent la protection thermique grâce à des enceintes étanches sous vide, des joints d'étanchéité contre les interférences électromagnétiques et des écrans thermiques multicouches en Mylar à super-isolation.
Il faut plus de quatre jours pour que les modules atteignent une température d'environ 4 K (moins 452,47 F, ou moins 269,15 C), la poussée finale vers des températures inférieures à 15 mK se produisant peu de temps après, ont déclaré les représentants d'IBM dans un communiqué .
Pour dépasser quelques centaines ou milliers de portes logiques, il faut davantage de puces et d'espace. Or, les ingénieurs ne peuvent pas se contenter de construire un immense bâtiment ultra-froid et de le remplir d'unités de traitement quadratique (QPU). Cela exigerait une infrastructure colossale et rendrait le système extrêmement fragile. À chaque mise à jour, dépannage matériel ou inspection des puces, un ingénieur devrait rompre l'étanchéité thermique, risquant d'interrompre le fonctionnement.
Des dizaines de réfrigérateurs quantiques d'IBM pourront être connectés entre eux à l'avenir pour faire fonctionner des systèmes plus puissants. (Crédit photo : IBM)
Le système cryogénique révolutionnaire d'IBM résout ce problème en fournissant aux ingénieurs des modules dédiés pouvant accueillir un nombre limité de puces. L'innovation majeure réside dans la possibilité de mettre en réseau ces modules afin d'exploiter la puissance combinée des processeurs quantiques individuels. Ceci est rendu possible grâce à l'utilisation de « coupleurs en L », des câbles supraconducteurs d'environ un mètre de long.
« Normalement, les opérations quantiques entre qubits sont réalisées directement sur la puce », a expliqué Oliver Dial , vice-président des opérations quantiques chez IBM, lors d'une conférence de presse le 18 août. « Nous utilisons alors des coupleurs intégrés sur de très courtes distances pour créer l'intrication et réaliser des portes à deux qubits. Les coupleurs en L nous permettent de faire la même chose, mais avec un câble supraconducteur en aluminium pouvant atteindre un mètre de long. C'est essentiel pour nous car cela constitue la base de nos conceptions modulaires. »
Inaugurant une nouvelle ère de tolérance aux pannes
IBM prévoit de déployer sa nouvelle architecture cryogénique modulaire en 2027, avec des systèmes à court terme utilisant deux à trois cellules supportant environ 1 000 qubits au total. L’objectif est d’atteindre 100 millions de portes logiques — soit 100 millions d’opérations quantiques en une seule session — d’ici 2029 avec le lancement de l’ordinateur quantique « Starling » d’IBM .
Mais d'abord, il faudra effectuer des calculs entre les modules. Jusqu'à présent, les scientifiques ont seulement démontré que deux modules cryogéniques peuvent être interconnectés et refroidis simultanément aux températures de fonctionnement requises. Ils ont testé les modules pour des opérations logiques simples avec le processeur « Flamingo », mais ils n'ont pas encore réalisé d'opérations complexes. L'équipe prévoit d'installer ses processeurs « Nighthawk » de dernière génération dans les prochains jours.
IBM utilisera cette technologie pour alimenter son ordinateur quantique Starling, qui devrait utiliser 10 000 qubits physiques organisés en 200 qubits logiques. (Crédit photo : IBM)
« Nous avons maîtrisé les principes scientifiques de la tolérance aux pannes en informatique, et… une part importante de nos efforts actuels pour y parvenir repose sur l'ingénierie », a déclaré Jerry Chow , directeur technique d'IBM pour le supercalcul quantique, lors de la conférence de presse. « Il ne s'agit pas d'une simple percée pour atteindre la tolérance aux pannes. Il s'agit plutôt de milliers de petites prouesses d'ingénierie que nous mettons en œuvre dans l'ensemble de notre écosystème, des processeurs à la pile logicielle, en passant par les systèmes de contrôle, l'infrastructure et la correction d'erreurs. »
Les laboratoires d'informatique quantique utilisent actuellement d'autres systèmes cryogéniques autonomes , et d'autres systèmes d'informatique quantique sont en cours de conception pour fonctionner à température ambiante , tels que ceux qui utilisent des photons (particules de lumière) — ou même des diamants fabriqués en laboratoire — comme qubits.
Lors de la conférence de presse, des représentants d'IBM ont affirmé que « Starling » serait un jour le premier ordinateur quantique tolérant aux pannes au monde. Mais la question de savoir si l'entreprise parviendra réellement à cet objectif, compte tenu du fait que d'autres sociétés spécialisées dans l'informatique quantique visent le même jalon , reste posée.