IBM a franchi une étape majeure dans le domaine de l’informatique quantique en développant un système capable de connecter deux unités de traitement quantique — par le biais d’un système de communication classique en temps réel. Les deux processeurs fonctionnent ainsi comme un seul par le biais de circuits dynamiques permettant de réduire les taux d’erreurs, offrant une nette augmentation de la puissance de traitement et de l’évolutivité.
Les unités de traitement quantique (QPU), ou processeurs quantiques, constituent les éléments centraux des ordinateurs quantiques, permettant de manipuler les bits quantiques (qubits). Ils sont comparables à l’unité centrale de traitement (CPU) des ordinateurs classiques. Cependant, les QPU exploitent des portes logiques quantiques pour traiter les qubits. Ces portes sont des circuits quantiques élémentaires opérant sur un petit nombre de qubits, un peu comme des briques ou des modules constituant le circuit quantique dans son ensemble.
Le développement des QPU rencontre néanmoins des défis techniques majeurs, notamment l’augmentation des taux d’erreurs à mesure que les systèmes s’agrandissent. Les processeurs doivent ainsi maintenir la stabilité des qubits tout en s’appuyant sur des systèmes de correction d’erreurs fiables.
Par ailleurs, la plupart des architectures à grande échelle manipulent les qubits physiques au sein de réseaux planaires, des surfaces planes sans croisement, ce qui limite la connectivité des qubits. « L’utilité des ordinateurs quantiques dépend d’une mise à l’échelle supplémentaire et du dépassement de leur connectivité limitée en qubits. Une approche modulaire est cruciale pour mettre à l’échelle les processeurs quantiques bruyants actuels et obtenir le grand nombre de qubits physiques nécessaires à la tolérance aux pannes », expliquent les chercheurs d’IBM dans leur étude récente publiée dans la revue Nature.
Il a été suggéré que les ordinateurs quantiques à ions piégés et à atomes neutres peuvent offrir un bon niveau de modularité pour transporter efficacement les qubits. Des portes quantiques à micro-ondes de longue portée pourraient également assurer la connectivité des qubits non planaires avec des corrections d’erreur efficaces, utilisant des systèmes de câblage conventionnels.
L’équipe d’IBM propose en revanche des circuits dynamiques offrant une modularité en connectant deux QPU via un système de liaison classique. « De nombreuses applications de l’informatique quantique nécessitent une connectivité supérieure au réseau planaire offert par le matériel sur plus de qubits que ce qui est disponible sur une seule unité QPU », indiquent-ils.
Un gain de performance et de polyvalence notable
Le système développé par les chercheurs comprend un dispositif intégré d’atténuation d’erreurs et un dispositif d’induction d’états quantiques nécessitant une connectivité périodique, utilisant jusqu’à 142 qubits répartis sur deux QPU. Il s’agit de QPU Eagle développées par IBM, capables de traiter chacune jusqu’à 127 qubits. Ces unités reposent sur des architectures de qubits transmons supraconducteurs, des qubits qui fonctionnent généralement à des fréquences de plusieurs milliards de hertz. Conçus pour être moins sensibles aux bruits, ils fonctionnent comme des oscillateurs anharmoniques, avec l’anharmonicité introduite par un dispositif qui permet de générer les effets quantiques nécessaires.
Les QPU Eagle utilisent également un système de transmission de troisième génération. Les processeurs de première génération d’IBM comprenaient une seule couche de métal sous laquelle une plaquette de qubits et un circuit imprimé sont disposés.
La seconde génération comprend deux puces séparées, chacune avec une couche de métal à motifs, reliées par une plaquette de qubits jouxtant une plaquette intercalaire. La troisième génération intègre une plaquette de qubits associée à une couche intercalaire dotée d’un câblage multicouche. Les signaux de contrôle et de lecture traversent cette couche supplémentaire, dont l’isolation permet de transmettre des signaux en profondeur au niveau de grandes QPU.
Les deux QPU de la nouvelle étude sont connectées en temps réel par une liaison classique. Les portes quantiques peuvent être contrôlées de manière classique au sein d’un circuit dynamique, en utilisant les états de mesure à mi-circuit pendant le temps d’exécution des tâches. « Notre lien classique en temps réel nous permet d’appliquer une porte quantique sur une QPU conditionnée au résultat d’une mesure sur une autre QPU », soulignent les chercheurs.
Il s’agirait de la première démonstration expérimentale d’un fonctionnement harmonieux et complémentaire entre deux processeurs quantiques. « Notre travail démontre que nous pouvons utiliser plusieurs processeurs quantiques comme un seul avec des circuits dynamiques atténués des erreurs activés par un lien classique en temps réel », affirme l’équipe. D’autre part, le système d’atténuation en temps réel des erreurs améliore la connectivité des qubits, ouvrant ainsi la voie à des ordinateurs quantiques notablement plus performants et polyvalents.