Le dossier quantique : on ne connaît jamais vraiment l’avenir

Depuis plus d’une décennie, des personnes débattent de la question de savoir si un ordinateur quantique représente une menace réaliste pour le réseau Bitcoin. C’était un sujet de discussion sérieux plus de 13 ans auparavant, lorsque j’ai découvert Bitcoin moi-même pour la première fois.

Des progrès considérables ont été accomplis, tant sur le plan théorique que dans l’ingénierie concrète, depuis l’époque où je n’étais qu’un idiot maladroit essayant de comprendre ce qui se passait ici.

Depuis, deux étapes majeures ont été franchies et changent sensiblement la probabilité qu’un ordinateur quantique viable soit effectivement produit au cours de la prochaine décennie environ. Cela ne signifie pas nécessairement qu’il deviendra omniprésent, ni même qu’il sera relativement facile d’accès pour les personnes disposant de capitaux importants.

Mais il est tout à fait possible que plusieurs machines viables soient produites dans un avenir proche.

Améliorations de la correction des erreurs

La première amélioration majeure concerne la correction des erreurs. Pour tenir compte du bruit inhérent au travail à une échelle aussi infime, il faut utiliser plusieurs qubits physiques redondants afin d’obtenir un qubit logique réellement utile aux calculs.

La méthode de pointe jusqu’alors était celle des codes de surface : elle consiste à regrouper plusieurs qubits physiques sur une grille et à en utiliser certains comme qubits de contrôle, qui « vérifient » périodiquement leurs voisins afin de s’assurer qu’aucune erreur interne ne s’est produite dans la superposition (sans faire s’effondrer celle-ci). Les espaces vides de chaque grille doivent être remplis par des qubits de contrôle.

Cette exigence en qubits de contrôle entraîne une surcharge supplémentaire qui peut atteindre près de 1,000 qubits physiques au total par qubit logique. Le problème s’aggrave à grande échelle, car les qubits de contrôle ne peuvent vérifier que les qubits situés juste à côté d’eux. Chaque groupe de qubits doit donc disposer de qubits de contrôle espacés de manière régulière.

Les codes quantiques à contrôle de parité à faible densité (qLDPC) éliminent ce goulot d’étranglement en permettant aux qubits de contrôle de vérifier d’autres qubits situés à grande distance (soit grâce à des pistes entrelacées qui assurent la communication entre différentes sections de la puce, soit en déplaçant physiquement des atomes, comme dans la conception à atomes neutres) sur l’ensemble du dispositif. Cela a permis de réduire de 10x le nombre de qubits physiques nécessaires pour produire un qubit logique fiable.

Ce n’est pas négligeable. Il ne s’agit peut-être pas d’une machine entièrement fonctionnelle qui gagne en efficacité, mais ces progrès représentent un gain d’efficacité notable dans les processus d’ingénierie nécessaires à la production d’un ordinateur quantique entièrement fonctionnel.

Progrès dans la validation des principes fondamentaux

Le deuxième progrès porte sur une question plus fondamentale : l’affirmation selon laquelle l’ajout de qubits physiques réduit le bruit global du système au lieu de l’augmenter. À ce stade, cela relève encore de la théorie. Il faut garder à l’esprit qu’à ce jour, aucun ordinateur quantique entièrement fonctionnel n’a réalisé de bout en bout un calcul dont un ordinateur classique est incapable.

Google a mené une expérience avec ses puces Sycamore (puis Willow) afin de vérifier expérimentalement l’effet de l’ajout de qubits physiques. Pour être tout à fait clair, il ne s’agissait pas d’une démonstration de calculs, mais simplement d’une démonstration du stockage d’informations en mémoire sans qu’elles se dégradent.

À l’aide de qubits logiques composés de groupes de 17 qubits physiques, de 49 qubits physiques et de 101 qubits physiques, l’entreprise a démontré que le taux d’erreur logique — la fréquence de corruption des données — diminuait à mesure que le nombre de qubits physiques augmentait. Ce test a franchi un seuil critique : le qubit logique créé à partir des qubits physiques indépendants a conservé sa cohérence plus longtemps que n’importe lequel des qubits physiques qui le composaient.

Encore une fois, cela ne signifie pas que l’on dispose d’un ordinateur quantique entièrement fonctionnel capable d’effectuer des calculs impossibles aux machines classiques, mais c’est un progrès notable qui valide l’une des hypothèses fondamentales sur lesquelles reposent les ordinateurs quantiques.

IA

Ce ne sont pas les seuls aspects de ce domaine où nous trouvons de meilleures solutions. L’intelligence artificielle est devenue un élément important de ces systèmes. Elle est utilisée pour lire et décoder les informations provenant d’un ordinateur quantique, un goulot d’étranglement majeur pour pouvoir l’exploiter à grande échelle.

L’IA sert également à développer de nouveaux algorithmes quantiques optimisés pour ces types de machines. Et compte tenu des récents cas où l’IA a contribué à résoudre — voire à réfuter — des conjectures existantes et des problèmes majeurs dans le domaine des mathématiques, envisager la possibilité de percées majeures rendues possibles par l’IA n’a rien d’extravagant.

On l’utilise aussi pour concevoir les circuits quantiques physiques construits selon différentes architectures. Il s’agit d’un problème très complexe : trouver la disposition optimale des portes quantiques dans un espace physique afin de réduire le bruit au niveau quantique, sans créer tellement d’espace vide que cela entraîne de la latence, des inefficacités et d’autres problèmes à résoudre.

C’est un facteur qui pourrait bien accélérer considérablement les progrès dans la résolution des problèmes fondamentaux nécessaires.

Perspectives

Au final, à mon avis, tout se résume à une question : l’hypothèse selon laquelle l’ajout de qubits physiques réduit le bruit tient-elle réellement lorsqu’il s’agit de calcul et de manipulation active de l’information quantique ?

Si cette hypothèse se vérifie et n’est pas réfutée expérimentalement dans un avenir proche, je pense qu’il est tout à fait réaliste qu’un ordinateur quantique viable soit produit au cours des dix prochaines années.

D’énormes ressources sont consacrées à ce problème, des progrès significatifs — mais pas écrasants — sont réalisés pour en résoudre les différentes composantes et, lorsqu’il existe fondamentalement un moyen de faire quelque chose, les êtres humains finissent généralement par le trouver.

Je ne dis pas qu’il faut paniquer, mais ne sous-estimez pas cette possibilité.