Le vrai problème des ordinateurs quantiques, ce n'était pas les qubits, mais les câbles

Le 29 juillet, HRL Laboratories a présenté dans Nature un processeur quantique capable de se piloter tout seul. Il compte 18 qubits en silicium. Un qubit, c'est l'unité de base de l'information quantique. Surtout, toute l'électronique qui les commande est enfermée avec eux dans le frigo.

Présenté comme ça, on pourrait croire à un détail d'ingénieur. C'est pourtant le mur contre lequel tout le monde se cogne depuis dix ans.

Personne ne te parle jamais des câbles

Quand on te montre un ordinateur quantique en photo, tu vois un magnifique objet doré qui ressemble à un lustre à l'envers. Ce que la photo ne montre pas, c'est que ce lustre est presque entièrement composé de câbles.

Le principe est simple. La puce quantique vit tout en bas, à quelques millièmes de degré au-dessus du zéro absolu. Les instruments qui lui donnent ses ordres restent dans la pièce, dans des baies à température ambiante. Entre les deux, il faut des fils. Beaucoup de fils. Et chaque qubit réclame les siens.

La puce, c'est le petit truc tout en bas. Le reste, c'est de la rallonge.

Les chiffres sont brutaux. D'après une étude sur le passage à l'échelle des machines quantiques, le cryostat d'un processeur de 150 qubits coûte 5 millions de dollars. Le cryostat, c'est le frigo qui maintient la puce à très basse température. Sur ces 5 millions, 4 millions partent dans le câblage. Le frigo coûte moins cher que les fils qu'on met dedans.

Et le prix n'est même pas le vrai problème. Chaque câble transporte de la chaleur. Il part d'une pièce à 20 degrés et descend jusqu'à une zone qui doit rester à deux millièmes de degré au-dessus du zéro absolu. Multiplie ces câbles par quelques milliers et le frigo ne peut plus suivre.

Or, pour obtenir une machine réellement utile, il faut environ un million de qubits physiques. Ce sont les qubits réels, ceux qui existent sur la puce. Un million de qubits, cela représente un million de jeux de câbles. Ils ne tiennent pas dans la pièce. Et même s'ils y tenaient, la chaleur transportée empêcherait le système de rester froid. C'est le seul ordinateur au monde dont le principal problème est la rallonge.

Ce que HRL a fait : déménager le chef d'orchestre dans le frigo

L'idée tient en une phrase. Au lieu de piloter les qubits depuis des baies d'instruments installées dans la pièce, HRL a placé la puce de commande dans le frigo, un étage au-dessus des qubits.

Le chef d'orchestre est descendu dans la fosse. Les musiciens l'entendent enfin sans décalage.

Dans le détail, le système comporte trois étages.

• Tout en bas, à 150 millikelvins, se trouve la puce quantique. Elle contient 18 qubits découpés dans un réseau de 54 boîtes quantiques, de minuscules structures qui confinent les électrons. Le tout est gravé sur des plaquettes de silicium-germanium de 200 millimètres, avec des lignes de production tout ce qu'il y a de plus standard.
• Juste au-dessus, à 4 kelvins, se trouve le contrôleur. Cette puce de 70 millions de transistors, gravée en 130 nanomètres, produit elle-même tous les signaux envoyés aux qubits. Elle consomme moins de 3,5 watts, soit à peu près autant qu'une veilleuse.
• Entre les deux passe un ruban plat de 296 pistes en niobium sur polyimide. Il est supraconducteur, ce qui lui permet de transporter le courant sans résistance dans ces conditions. Il laisse passer moins de 10 microwatts de chaleur. Autant dire presque rien.

La correction d'erreur fonctionne ainsi en boucle fermée, directement dans le froid. Le système mesure les erreurs, puis adapte ses commandes sans demander l'avis d'un instrument à température ambiante. Le trajet aller-retour disparaît. La latence, c'est-à-dire le délai causé par ce trajet, disparaît avec lui.

Les chiffres, parce que c'est là que ça se joue

Une opération quantique produit régulièrement une erreur. Tout dépend de la fréquence de ces erreurs. Sous un certain seuil, le système peut les détecter et les corriger assez vite pour rester fiable. Au-dessus de ce seuil, les erreurs s'accumulent et le calcul s'effondre.

Les trois barres sont sous le trait rouge. C'est tout ce qu'il faut retenir.

Deux autres résultats méritent d'être cités. Avec un code de répétition de distance 5, qui répartit l'information afin de repérer les erreurs, le taux d'erreur baisse d'un facteur 4,7 quand HRL ajoute des qubits. Ça paraît anodin. C'est pourtant tout le principe de la correction d'erreur quantique. Jusqu'ici, ajouter des qubits ajoutait surtout des erreurs. Avec un code de détection à quatre qubits, l'équipe maintient aussi une fidélité de 95 pour cent sur deux qubits logiques pendant trois tours de mesure consécutifs. La fidélité mesure ici la fiabilité du résultat. Un qubit logique est une information protégée grâce à plusieurs qubits physiques.

HRL annonce aussi des erreurs de commande dix fois plus faibles que dans toutes les démonstrations précédentes, avec des opérations qui durent moins d'une microseconde. Sur ce point précis, ce n'est plus une simple amélioration. On change de catégorie.

Concrètement, ça change quoi pour toi

Rien ce soir. Absolument rien. Ton PC ne deviendra jamais quantique, ta box internet non plus, et personne ne mettra un frigo à 150 millikelvins dans ton salon. Un ordinateur quantique n'est pas un ordinateur classique en plus rapide. C'est une machine conçue pour effectuer trois ou quatre types de calculs très particuliers que rien d'autre ne sait faire.

Ces trois ou quatre usages, en revanche, te concernent directement.

À gauche, aujourd'hui. À droite, l'idée. Entre les deux, il manque encore 999 982 qubits.

1. Les médicaments que tu prends

Aujourd'hui, trouver une molécule consiste à en synthétiser des milliers, puis à les tester une par une. C'est long et cher. C'est aussi pour ça qu'un médicament met dix ans à arriver en pharmacie. Simuler précisément la réaction entre deux molécules demande un calcul qui étouffe un ordinateur classique. Une machine quantique, elle, serait à l'aise avec ce type de problème.

2. La batterie de ta voiture

Même histoire. Pour mettre au point la chimie d'une batterie, on fabrique des prototypes, puis on les regarde vieillir pendant des mois. Simuler la réaction au lieu de la tester permettrait de concevoir des batteries moins chères et plus durables, sans passer par vingt ans de tâtonnements en laboratoire.

3. Le cadenas de ta banque

Celui-là est moins réjouissant. Le petit cadenas affiché par ton navigateur repose sur un calcul qu'aucun ordinateur classique ne sait inverser dans un délai raisonnable. Une machine quantique suffisamment grosse, elle, le saurait. C'est pour ça que les banques et les navigateurs migrent déjà discrètement vers de nouvelles méthodes de chiffrement. Ça se fait sans toi, et tant mieux. Mais c'est bien cette recherche qui met le calendrier sous pression.

Et c'est pour quand ?

Honnêtement, personne n'en sait rien. On parle ici de 18 qubits, alors qu'il en faut environ un million. Dix ans, vingt ans ou jamais : les trois réponses sont défendables aujourd'hui.

Un précédent mérite tout de même le détour, car il concerne exactement le même problème. Dans les années 1950, les ordinateurs étaient câblés à la main, fil par fil, par des ouvrières. Le nombre de soudures limitait la taille des machines bien avant la physique. La solution n'a pas été un composant plus rapide. Elle a été le circuit intégré, qui a supprimé une grande partie du câblage en regroupant les composants sur la même galette de silicium. C'est le même geste que HRL vient de reproduire, soixante-dix ans plus tard, avec une autre technologie.

Ce que j'en pense

Le détail que je trouve le plus savoureux, c'est la gravure en 130 nanomètres. Cette finesse date du tout début des années 2000. Pendant que l'industrie entière se bat pour passer sous les 2 nanomètres, HRL a délibérément ressorti une technologie de l'époque du Pentium 4. Je ne connais pas leur raisonnement exact, mais à 4 kelvins la contrainte n'est plus la densité, c'est la chaleur et la prévisibilité. Et là, une vieille gravure éprouvée bat une gravure fine. La course à la finesse n'est pas toujours la bonne course.

L'autre détail amusant, c'est le calendrier. Le 23 juillet, IBM annonce le rachat de HRL à Boeing et General Motors. Huit jours plus tard, l'article paraît dans Nature. On ne me fera pas croire qu'IBM ne l'avait pas lu avant de signer. IBM a construit tout son programme quantique sur une autre technologie. L'entreprise vient donc de s'offrir une seconde option, avec une équipe qui sait fabriquer ses puces sur des lignes de production classiques.

Je garde tout de même une réserve, et elle est de taille. Avec 18 qubits, cette machine reste minuscule. Le ruban compte 296 pistes pour ces 18 qubits. Le problème du nombre de fils n'est donc pas résolu. HRL a surtout réduit la chaleur transportée et le temps de trajet des signaux. C'est une marche, pas l'escalier entier. Mais personne n'avait encore monté cette marche.