Puce Willow de Google : la physique de la vraie suprématie quantique

C’est un nombre si grand que le cerveau humain ne peut pas le concevoir : 10 septillions d’années.

Cela représente $10^{25}$ années. Pour situer l’échelle, l’univers n’a qu’environ $13.8$ milliards d’années. Si vous aviez lancé un calcul sur le superordinateur le plus puissant du monde (actuellement le système exascale Frontier) au moment du Big Bang, vous n’en seriez aujourd’hui qu’à moins de 0,000000001 % du problème.

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

C’est le titre phare de la dernière revendication de « suprématie quantique » de Google, un terme qui désigne le seuil à partir duquel un ordinateur quantique peut accomplir une tâche pratiquement impossible pour n’importe quel ordinateur classique. Mais aussi éblouissante que soit cette vitesse, c’est en réalité l’aspect le moins intéressant de l’annonce. La véritable histoire, celle qui changera la trajectoire de la technologie humaine, se cache dans le bruit.

Pour la première fois, Google a démontré qu’ajouter des qubits à un processeur peut en fait réduire le taux d’erreur au lieu de l’augmenter. C’est le « Saint Graal » de la mécanique quantique, une percée en matière de correction d’erreurs quantiques (QEC, pour Quantum Error Correction) qui ouvre la voie pour passer de jouets expérimentaux à des machines capables de changer le monde.

L’accroche : pourquoi c’est important maintenant

Pendant des décennies, l’informatique quantique est restée coincée à l’ère « NISQ », pour Noisy Intermediate-Scale Quantum (quantique bruité à échelle intermédiaire).

À cette époque, construire un ordinateur quantique revenait à essayer d’édifier un château de cartes dans une soufflerie. Vous pouviez ajouter des cartes (des qubits) pour agrandir la structure, mais plus elle grandissait, plus elle devenait instable. Le « vent » (bruit environnemental, chaleur, rayonnement) finissait inévitablement par faire s’effondrer l’état quantique (décohérence) avant qu’un calcul utile puisse être mené à terme.

Des critiques, dont de nombreux physiciens éminents, soutenaient qu’il pouvait s’agir d’une loi fondamentale de la nature. Selon eux, plus on augmente la taille d’un système quantique, plus le bruit croît de façon exponentielle, ce qui empêcherait à jamais tout calcul utile.

Willow leur a donné tort.

Avec 105 qubits, Willow n’est pas seulement plus grand que son prédécesseur, Sycamore (53 qubits). Il est exponentiellement plus silencieux. Google a démontré qu’en rassemblant les données de plusieurs qubits physiques pour former une instruction logique, il est possible de faire baisser le taux d’erreur à mesure que le système grandit.

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 bruités et fragiles à des qubits stables et corrigés des erreurs.

Analyse technique : la physique de Willow

Pour comprendre pourquoi Willow est un tel chef-d’œuvre d’ingénierie, il faut s’intéresser à la physique du qubit transmon.

1. L’architecture

Willow utilise 105 qubits supraconducteurs disposés selon une grille précise. Contrairement aux bits de votre ordinateur portable, qui sont de minuscules transistors gravés sur du silicium, ces qubits sont des circuits macroscopiques fabriqués à partir de métaux supraconducteurs (généralement l’aluminium ou le niobium) refroidis à une température proche du zéro absolu (environ 20 milliKelvin).

À ces températures, le métal perd toute résistance électrique. Les électrons s’apparient en « paires de Cooper » et circulent sans frottement. Le circuit peut ainsi se comporter comme un unique atome artificiel. En manipulant ce circuit avec des impulsions micro-ondes, les ingénieurs peuvent le placer dans un état de superposition, c’est-à-dire à la fois « 0 » et « 1 ».

2. Le problème du bruit

Le problème, c’est que ces atomes artificiels sont extrêmement sensibles. Un photon égaré, une fluctuation magnétique, voire un rayon cosmique frappant la puce peuvent provoquer une « décohérence », qui fait s’effondrer la superposition et ruine le calcul.

Dans les puces précédentes, ajouter des qubits ouvrait davantage de voies de propagation aux erreurs. Si une machine de 50 qubits affichait un taux de précision de 99 % par étape, une machine de 100 qubits pouvait tomber à 50 % ou moins, simplement parce qu’il y a plus de points de défaillance.

3. L’effet « Zénon » et la correction d’erreurs

Willow introduit un nouveau schéma de correction d’erreurs en temps réel. Il regroupe en pratique des qubits physiques pour qu’ils « votent » sur l’état correct.

Cette percée repose sur un concept proche de l’effet Zénon quantique, selon lequel 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, en vérifiant s’ils sont identiques ou différents, sans mesurer les qubits eux-mêmes (ce qui détruirait les données).

Si le système détecte une erreur (comme une inversion de bit), 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 d’erreurs quantiques fonctionne. Un qubit logique peut désormais survivre plus longtemps que les qubits physiques qui le composent. C’est un défi d’ingénierie, pas une impossibilité physique.

Le benchmark : l’échantillonnage de circuits aléatoires

La tâche réalisée par Willow s’appelle Random Circuit Sampling (RCS), ou échantillonnage de circuits aléatoires.

Le RCS est essentiellement un test de résistance. On donne à l’ordinateur une séquence aléatoire de portes quantiques (des opérations) à appliquer à ses qubits, et il doit produire une série de chaînes de bits correspondant à la distribution statistique de ce circuit aléatoire.

C’est un calcul inutile : il ne simule rien et n’apprend rien aux chercheurs sur l’univers. Il est choisi précisément parce qu’il est d’une difficulté maximale 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), la mémoire requise dépasse le nombre d’atomes de l’univers observable.
• Performance de Willow : Willow peut exécuter ces circuits de façon native, car il est le système simulé.

Quand Google parle de « 10 septillions d’années », cela signifie que vérifier statistiquement le résultat des circuits complexes de Willow, avec les meilleurs algorithmes classiques connus aujourd’hui et sur le plus grand superordinateur, prendrait des éons.

Il convient toutefois de noter la rivalité à l’œuvre ici. IBM soutient souvent que le RCS est un « tour de salon » et que ces limites de temps théoriques peuvent être réduites grâce à des approximations classiques astucieuses. Mais même avec les méthodes de « réseaux de tenseurs » les plus généreuses qu’emploient les algorithmes classiques efficaces, Willow reste pratiquement hors d’atteinte.

Contexte historique : de Sycamore à Willow

Le chemin vers Willow a été rude.

• 2019 (Sycamore) : Google revendique la suprématie quantique avec 53 qubits. Le calcul a pris 200 secondes, contre environ 10 000 ans estimés pour un superordinateur. IBM a immédiatement répliqué qu’il pouvait le faire en 2,5 jours sur son superordinateur Summit en utilisant le stockage sur disque dur. La revendication a été controversée.
• 2021-2023 (IBM Eagle et Osprey) : IBM a fait grimper le nombre brut de qubits, avec des puces de 127 puis de 433 qubits. Google a toutefois 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. L’entreprise n’a pas visé 1 000 qubits. Elle a visé 105 meilleurs qubits.

Cela signale une divergence de philosophie. IBM pousse vers l’« échelle d’utilité » (résoudre dès maintenant des problèmes plus petits mais utiles grâce à l’atténuation des erreurs), tandis que Google pousse vers la « tolérance aux pannes » (prouver d’abord la physique de la correction d’erreurs). Willow suggère que le pari de Google sur la physique est en train de payer.

Analyse prospective : l’« alerte rouge » pour le chiffrement ?

Chaque fois qu’une percée quantique survient, la première question est : « Le Bitcoin est-il en sécurité ? »

Cette crainte vient de l’algorithme de Shor, une méthode quantique capable de factoriser de grands nombres premiers exponentiellement plus vite que les ordinateurs classiques. Comme le chiffrement RSA (qui protège votre compte bancaire et votre trafic web) repose sur la difficulté de factoriser des nombres premiers, un ordinateur quantique puissant pourrait théoriquement casser Internet.

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

Pour exécuter l’algorithme de Shor sur une clé RSA de 2048 bits, il ne faut pas simplement 2048 qubits. Il faut 2048 qubits parfaits et logiques. En raison du besoin de correction d’erreurs, chaque qubit logique pourrait nécessiter 1 000 qubits physiques.

Cela exige une machine d’environ 20 millions de qubits physiques. Google en a 105.

L’industrie est encore à plusieurs ordres de grandeur du « Q-Day » (le jour où les ordinateurs quantiques casseront le chiffrement). Willow oblige néanmoins à réviser les échéanciers.

• Avant Willow : les physiciens craignaient que les taux d’erreur ne plafonnent, ce qui signifiait que l’humanité risquait de ne jamais atteindre 20 millions de qubits cohérents.
• Après Willow : la correction d’erreurs a prouvé son efficacité. Ce n’est plus un problème de physique, mais un problème d’ingénierie.

L’impact immédiat réel : la simulation

Bien avant de casser des 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. Elle exige une chaleur et une pression élevées (procédé Haber-Bosch). Des bactéries y parviennent à température ambiante grâce à la nitrogénase. Les ordinateurs classiques actuels ne peuvent pas simuler la nitrogénase, car les interactions entre électrons sont trop complexes. Un ordinateur quantique pourrait la modéliser sans effort, ce qui ouvrirait la voie à une production locale d’engrais verts.
• Chimie des batteries : concevoir de nouveaux électrolytes pour les batteries lithium-métal suppose de simuler des liaisons moléculaires complexes. Des puces de la classe de Willow pourraient trouver les matériaux qui doublent l’autonomie des véhicules électriques.

En résumé

La puce Willow de Google ne va pas miner tout le Bitcoin demain ni lire vos e-mails chiffrés. Si vous la jugez à sa capacité à faire tourner Excel ou Doom, elle est inutile.

Mais on juge rarement une technologie sur ce que le prototype sait faire ; on la juge sur la voie qu’il ouvre.

Pendant 40 ans, l’informatique quantique a été une discipline théorique. C’étaient des mathématiques sur un tableau noir, qui débattaient de ce qui pourrait arriver si les chercheurs parvenaient à contrôler la nature à l’échelle atomique. Willow prouve que le tableau noir avait raison. La porte du monde quantique n’est plus simplement déverrouillée ; elle a été enfoncée. La seule question désormais est de savoir à quelle vitesse l’industrie saura la franchir.

Nos sources (2)

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