La puce Willow de Google : la physique de la véritable suprématie quantique

C’est un nombre si grand que le cerveau humain ne peut pas le comprendre : 10 sept milliards d’années.

Cela représente $10^{25}$ ans. Pour vous situer dans le contexte, l’univers n’a qu’environ 13,8 milliards d’années. Si vous commenciez un calcul sur le supercalculateur le plus puissant du monde (actuellement le système exascale Frontier) au moment du Big Bang, vous seriez encore à moins de 0,000000001 % du problème aujourd’hui.

Le nouveau processeur quantique de Google, Willow, vient de terminer ce calcul en moins de cinq minutes.

C’est le titre de la dernière affirmation de Google concernant la « suprématie quantique », un terme qui décrit le seuil à partir duquel un ordinateur quantique peut effectuer une tâche pratiquement impossible pour n’importe quel ordinateur classique. Mais si la rapidité est fulgurante, c’est en réalité la partie la moins intéressante de l’annonce. La véritable histoire, celle qui changera la trajectoire de la technologie humaine, est cachée dans le bruit.

Pour la première fois, Google a démontré que l’ajout de plus de qubits à un processeur peut réellement réduire le taux d’erreur, plutôt que de l’augmenter. Il s’agit du « Saint Graal » de la mécanique quantique, une percée dans la correction d’erreurs quantiques (QEC) qui ouvre la voie des jouets expérimentaux aux machines qui changent le monde.

The Hook : Pourquoi c’est important maintenant

Pendant des décennies, l’informatique quantique est restée coincée dans l’ère « NISQ », Noisy Intermediate-Scale Quantum.

À cette époque, construire un ordinateur quantique revenait à construire un château de cartes dans une soufflerie. Vous pourriez ajouter plus de cartes (qubits) pour agrandir la structure, mais plus elle devenait grande, plus elle devenait instable. Le « vent » (bruit ambiant, chaleur, rayonnement) effondrerait inévitablement l’état quantique (décohérence) avant qu’un calcul utile puisse être terminé.

Les critiques, parmi lesquels de nombreux physiciens éminents, ont soutenu qu’il s’agissait peut-être d’une loi fondamentale de la nature. Ils ont suggéré qu’à mesure que l’on agrandissait un système quantique, le bruit augmenterait de façon exponentielle, empêchant ainsi tout calcul utile.

Willow leur a prouvé le contraire.

Avec 105 qubits, Willow n’est pas seulement plus gros que son prédécesseur Sycamore (53 qubits). C’est exponentiellement plus silencieux. Google a démontré qu’en collectant des données à partir de plusieurs qubits physiques pour former une instruction logique, ils peuvent réduire le taux d’erreur à mesure que le système évolue.

C’est le « moment transistor » de l’informatique quantique. Tout comme le tube à vide a cédé la place au transistor fiable, l’industrie passe désormais de qubits bruyants et fragiles à des qubits stables et corrigés des erreurs.

Analyse technique approfondie : la physique du saule

Pour comprendre pourquoi Willow est un tel chef-d’œuvre d’ingénierie, il faut examiner la physique du Transmon Qubit.

1. L’Architecture

Willow utilise 105 qubits supraconducteurs disposés dans une grille spécifique. Contrairement aux bits de votre ordinateur portable, qui sont des transistors microscopiques gravés sur du silicium, ces qubits sont des circuits macroscopiques constitués de métaux supraconducteurs (généralement de l’aluminium ou du niobium) refroidis à un niveau proche du zéro absolu (environ 20 milliKelvin).

A ces températures, le métal perd toute résistance électrique. Les électrons se regroupent en « paires de Cooper » et circulent sans friction. Cela permet au circuit de se comporter comme un seul atome artificiel. En manipulant ce circuit avec des impulsions micro-ondes, les ingénieurs peuvent le forcer dans un état de superposition, étant à la fois « 0 » et « 1 » simultanément.

2. Le problème du bruit

Le problème est que ces atomes artificiels sont incroyablement sensibles. Un photon parasite, une fluctuation magnétique ou même un rayon cosmique frappant la puce peuvent provoquer une « décohérence », effondrant la superposition et ruinant le calcul.

Dans les puces précédentes, l’ajout de plus de qubits ajoutait davantage de voies de propagation des erreurs. Si une machine de 50 qubits avait un taux de précision par étape de 99 %, une machine de 100 qubits pourrait chuter à 50 % ou moins simplement parce qu’il y a plus de points de défaillance.

3. L’effet “Zeno” et la correction des erreurs

Willow introduit un nouveau système de correction d’erreurs en temps réel. Il regroupe efficacement les qubits physiques pour voter sur le bon état.

Cette percée est basée sur un concept similaire à l’effet Quantum Zeno, où l’observation fréquente d’un système peut « geler » son évolution ou, dans ce cas, détecter les erreurs avant qu’elles ne se propagent. Willow mesure la « parité » des qubits voisins, vérifiant s’ils sont identiques ou différents, sans réellement mesurer les qubits eux-mêmes (ce qui détruirait les données).

Si le système détecte une erreur (comme un petit retournement), il peut appliquer une correction en temps réel. Les données montrent qu’à mesure que Google augmentait la distance du code (le nombre de qubits physiques soutenant un qubit logique), le taux d’erreur diminuait de façon exponentielle.

Cela confirme que la correction des erreurs quantiques fonctionne. Un qubit logique peut désormais survivre aux qubits physiques qui le composent. Il s’agit d’un défi technique et non d’une impossibilité physique.

La référence : échantillonnage aléatoire de circuits

La tâche effectuée par Willow s’appelle Random Circuit Sampling (RCS).

Le RCS est essentiellement un test de résistance. L’ordinateur reçoit une séquence aléatoire de portes quantiques (opérations) à appliquer à ses qubits, et il doit produire une chaîne de chaînes de bits qui correspondent à la distribution statistique de ce circuit aléatoire.

C’est un calcul inutile, qui ne simule rien et ne dit rien aux chercheurs sur l’univers. Il a été choisi spécifiquement parce qu’il est extrêmement difficile pour un ordinateur classique.

• Difficulté classique : Pour simuler un système quantique de $N$ qubits, un ordinateur classique a besoin de $2^N$ octets de mémoire. Pour 53 qubits (Sycamore), cela représentait des pétaoctets. Pour 105 qubits (Willow), les besoins en mémoire dépassent le nombre d’atomes de l’univers visible.
• Performances de Willow : Willow peut exécuter ces circuits de manière native car c’est c’est le système en cours de simulation.

Lorsque Google parle de « 10 septillions d’années », cela signifie que vérifier statistiquement les résultats des circuits complexes de Willow à l’aide des algorithmes classiques les plus intelligents connus aujourd’hui sur le plus grand superordinateur prendrait une éternité.

Cependant, il convient de noter ici la rivalité. IBM affirme souvent que le RCS est un « truc de fête » et que ces délais théoriques peuvent être réduits par d’astucieuses approximations classiques. Mais même avec les méthodes de «réseau tensoriel» les plus généreuses utilisées par les algorithmes classiques efficaces, Willow reste effectivement hors de portée.

Histoire contextuelle : La route depuis Sycomore

Le voyage vers Willow a été difficile.

• 2019 (Sycamore) : Google revendique la suprématie quantique avec 53 qubits. Le calcul a pris 200 secondes contre 10 000 ans environ pour un supercalculateur. IBM a immédiatement réfuté, affirmant qu’ils pourraient le faire en 2,5 jours sur leur superordinateur Summit en utilisant le stockage sur disque dur. L’affirmation était controversée.
• 2021-2023 (IBM Eagle & Osprey) : IBM a augmenté le nombre de qubits purs, en lançant des puces de 127 puis 433 qubits. Cependant, Google a fait valoir que la quantité sans la qualité n’avait aucun sens. Une puce de 433 qubits avec des taux d’erreur élevés n’est qu’un générateur de nombres aléatoires.
• 2024 (Willow) : Google contre-attaque. Ils n’ont pas opté pour 1 000 qubits. Ils ont opté pour 105 meilleurs qubits.

Cela signale une divergence de philosophie. IBM fait pression pour “Utility Scale” (résolvant désormais des problèmes plus petits et utiles avec atténuation des erreurs), tandis que Google fait pression pour “Fault Tolerance” (prouvant d’abord la physique de la correction des erreurs). Willow suggère que le pari de Google sur la physique porte ses fruits.

Analyse prospective : Le « Code Rouge » pour le chiffrement ?

Chaque fois qu’une avancée quantique se produit, la première question est : “Bitcoin est-il sûr ?”

La peur vient de l’algorithme de Shor, une méthode quantique capable de factoriser de grands nombres premiers de manière exponentielle plus rapidement que les ordinateurs classiques. Étant donné que le cryptage RSA (qui protège votre compte bancaire et votre trafic Web) repose sur la difficulté de factoriser les nombres premiers, un ordinateur quantique puissant pourrait théoriquement pirater Internet.

La réponse : Vous êtes en sécurité… pour l’instant.

Pour exécuter l’algorithme de Shor sur une clé RSA de 2 048 bits, vous n’avez pas seulement besoin de 2 048 qubits. Vous avez besoin de 2048 qubits parfaits et logiques. En raison de la nécessité de corriger les erreurs, chaque qubit logique peut nécessiter 1 000 qubits physiques.

Cela nécessite une machine avec environ 20 millions de qubits physiques. Google en compte 105.

L’industrie est encore à des ordres de grandeur du « jour Q » (le jour où les ordinateurs quantiques briseront le cryptage). Cependant, Willow force une mise à jour des délais.

• Avant Willow : les physiciens craignaient que les taux d’erreur saturent, ce qui signifie que l’humanité pourrait jamais atteindre 20 millions de qubits cohérents.
• Après Willow : Il a été prouvé que la correction d’erreur fonctionne. Ce n’est plus un problème de physique ; c’est un problème d’ingénierie.

Le véritable impact immédiat : la simulation

Bien avant de déchiffrer les codes, des puces comme Willow (et ses successeurs) vont révolutionner la simulation.

• Fixation de l’azote de type P : La production d’ammoniac pour les engrais consomme 2 % de l’énergie mondiale. Cela nécessite une chaleur et une pression élevées (procédé Haber-Bosch). Les bactéries le font à température ambiante en utilisant la nitrogénase. Les ordinateurs classiques actuels ne peuvent pas simuler la nitrogénase car les interactions électroniques sont trop complexes. Un ordinateur quantique pourrait le modéliser sans effort, conduisant à une production localisée d’engrais verts.
• Chimie des batteries : la conception de nouveaux électrolytes pour les batteries lithium-métal implique la simulation de liaisons moléculaires complexes. Les puces de classe Willow pourraient trouver les matériaux qui doublent l’autonomie des véhicules électriques.

Le résultat

La puce Willow de Google ne va pas extraire tous les Bitcoins demain ni lire vos e-mails cryptés. Si vous le jugez par sa capacité à exécuter Excel ou Doom, il est inutile.

Mais la technologie est rarement jugée en fonction de ce que le prototype peut faire ; on le juge au chemin qu’il ouvre.

Depuis 40 ans, l’informatique quantique est une discipline théorique. C’étaient des mathématiques écrites au tableau, débattant sur ce qui pourrait arriver si les chercheurs parvenaient à contrôler la nature à l’échelle atomique. Willow est la preuve que le tableau avait raison. La porte du monde quantique n’est plus seulement ouverte ; il a été ouvert à coups de pied. La seule question maintenant est de savoir à quelle vitesse l’industrie pourra s’en sortir.

Nos sources (2)

• blog.google Google Quantum AI Blog
• nature.com Quantum Error Correction