Le processeur quantique «Kookaburra» massif d'IBM pourrait atterrir en 2025

Regardez de plus près l'objectif ambitieux d'IBM pour rendre l'informatique quantique plus puissante et plus pratique.

BYCHARLOTTE HU | Publié le 10 mai 2022 19h00

Les superordinateurs classiques d'aujourd'hui peuvent faire beaucoup.Mais parce que leurs calculs sont limités aux états binaires de 0 ou 1, ils peuvent lutter contre des problèmes extrêmement complexes tels que les simulations en sciences naturelles.C'est là que les ordinateurs quantiques, qui peuvent représenter les informations comme 0, 1, ou peut-être les deux en même temps, pourraient avoir un avantage.

L'année dernière, IBM a débuté une puce informatique de 127 qubit et une structure appelée IBM Quantum System Two, destinée à abriter des composants comme le cryostat de lustre, le câblage et l'électronique pour ces puces plus grandes sur la ligne.Ces développements ont devancé IBM avant d'autres grandes entreprises technologiques comme Google et Microsoft dans la course pour construire l'ordinateur quantique le plus puissant.Aujourd'hui, la société présente son plan de trois ans pour atteindre au-delà de 4 000 qubits d'ici 2025 avec un processeur qu'elle appelle «Kookaburra."Voici comment il prévoit d'y arriver.

Pour augmenter ses capacités de traitement pour Qubits, IBM étaignera le développement sur les composants matériels et logiciels pour les puces quantiques.Le premier à venir est un nouveau processeur appelé Heron qui possède 133 Qubits.En plus d'avoir plus de qubits, la puce Heron a une conception différente de son prédécesseur, Eagle.«Cela nous permet en fait d'obtenir une fraction beaucoup plus grande de portes de fonctionnement de 2 points.Il utilise une nouvelle architecture appelée coupleurs réglables », explique Jerry Chow, directeur du développement du système matériel quantique chez IBM Quantum.

"Avec ce plan pour ce nouveau processeur pour Heron, nous voulons pouvoir avoir plusieurs hérons qui sont tous adressables via une seule architecture de contrôle", ajoute-t-il.«Nous voulons être en mesure d'avoir une communication classique liée à ces puces et processeurs pendant que nous les construisons."

Meilleur contrôle de niveau de porte

Avant de pouvoir comprendre ce qu'est un qubit, vous devez comprendre ce qu'est un peu et quelle est aussi une porte.Sur les ordinateurs classiques, les informations sont codées sous forme de bits binaires (0 ou 1).Les transistors sont des commutateurs qui contrôlent le flux d'électrons.Les transistors sont connectés à plusieurs électrodes, y compris une électrode de porte.Modification de la charge électrique sur les contrôles de l'électrode de la porte, si le transistor est sur l'état 1 ou désactivé dans l'état 0.Les modifications physiques de ces états permettent aux ordinateurs de coder des informations.Les portes logiques sont constituées d'un arrangement spécifique des transistors.Un tas de transistors peuvent constituer un circuit intégré qui peut stocker des morceaux de données.Ces circuits sont tous interconnectés à la surface d'une puce.

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Les qubits fonctionnent différemment des bits et les portes quantiques fonctionnent différemment des portes classiques.Contrairement aux bits classiques, qui peuvent avoir une valeur de 1 ou 0, dans les bonnes conditions, les qubits peuvent rester dans l'état de superposition quantique ressemblant à des vagues, qui représente une combinaison de toutes les configurations possibles - 0, 1, ou les deux aux mêmestemps.Le tir de photons micro-ondes à des fréquences spécifiques à Qubit permet aux chercheurs de contrôler leur comportement, qui peut être pour tenir, changer ou lire des unités d'informations quantiques.

Malheureusement, les qubits sont assez fragiles: ils sont sensibles à la chaleur, instables et sujets aux erreurs.Lorsque les qubits se parlent ou du câblage dans leur environnement, ils peuvent perdre leurs propriétés quantiques, ce qui rend les calculs moins précis.Lorsqu'ils décrivent combien de temps ils peuvent rester dans leurs états de superposition, les experts se réfèrent à leur «temps de cohérence." The coherence time and how long it takes to do a gate set the limit on how big of a quantum calculation you can do with a set of qubits.

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“The way that we’ve been designing our current processors, Falcon, Hummingbird, Eagle, have been using fixed coupling between qubits, and we’ve been using a microwave-based 2-qubit cross-resonance gate," says Chow.Dans ces cas, ils utilisaient différentes fréquences pour parler au qubit correspondant. Now, they’re adding “individualized magnetic field controls for the couplers between the qubits," Chow says, which allows them to turn on qubit interactions with the varying microwave frequencies.

Processeurs quantiques multiples et connectés

Les ordinateurs classiques ont des cœurs, qui sont des groupes de transistors qui peuvent exécuter plusieurs tâches en parallèle.Vous pouvez l'imaginer comme un nombre de registres de paie.Les processeurs qui offrent plusieurs cœurs, ou multi-threading, peuvent diviser une grande tâche en pièces plus petites qui peuvent être alimentées aux différents noyaux pour le traitement.

Maintenant, IBM veut également appliquer ce concept à l'informatique quantique, à travers une technique appelée circuit tricot. This “effectively takes large quantum circuits, finds ways to break them down into smaller, more digestible quantum circuits, which can be almost parallelly run across a number of processors," Chow explains.«Avec cette parallélisation classique, elle augmente les types de problèmes et de capacités que nous pouvons aborder." Parallelization could also be useful for decreasing error rates.

Cette ramification de conception est distincte du développement d'Osprey ou de Condor, qui sont sur la bonne voie pour atteindre 433 et 1 121 Qubits, respectivement, dans les prochaines années.«Mais nous voulons également avoir une modularité intégrée qui nous permettra de s'étendre encore plus loin. At some level, just the amount of the number of qubits that we’re going to be able to pack into a single chip will start to become limited," says Chow.«Nous testons certaines de ces limites avec Osprey et avec Condor actuellement."

Avec Heron, l'idée est que les ingénieurs testent des moyens d'établir des liens quantiques sur plusieurs puces quantiques. “We’re exploring what we call these modularly couplers that will allow us to effectively have multiple chips that are connected together," Chow says.Cela créera ce qui est essentiellement un processeur cohérent quantique plus grand composé de trois puces quantiques individuelles avec le même processeur quantique sous-jacent.À cette fin, IBM espère coupler trois jetons dans un système de 408 qubit, appelé Crossbill, en 2024.

Pour évoluer encore plus, IBM travaille également sur des coupleurs à longue portée qui peuvent connecter des clusters de processeurs quantiques via un câble cryogénique de mètre de long (les qubits supraconducteurs doivent être gardés très froids). “We’re calling this the inter-quantum communication link," says Chow, and it can extend quantum coherent connections within the shared cryogenic environment.

La combinaison de la parallélisation, de la connexion en puce à puce, ainsi que du couplage à longue portée est ce qui pourrait leur permettre d'atteindre leur objectif 2025 d'un système de 4158 points: le Kookaburra.

Combinant l'informatique classique avec l'informatique quantique

Aller quantum ne signifie pas repenser un ordinateur entier à partir de zéro.Une grande partie du système quantique fonctionne sur une infrastructure informatique classique. “The way that we typically have our systems is you have your quantum processor inside the refrigerator and you’re constantly talking to it with the classical infrastructure," Chow says.«L'infrastructure classique génère ces impulsions micro-ondes, générant les lectures.Lorsque vous programmez un circuit, il se transforme en cette orchestration des portes, les opérations qui vont aux puces."

Mais au lieu d'avoir juste des processeurs quantiques, un contrôleur peut également alimenter les processeurs classiques, comme les CPU et les GPU, qui seraient connectés en parallèle à la puce quantique, mais pas de manière quantique.De cette façon, il peut effectuer des applications filetées en utilisant des pouvoirs informatiques classiques et quantiques.

“The quantum processor is providing a different resource from a GPU or a super large CPU," says Chow.«Mais dans l'ensemble, le tout va être quelque chose qui ressemble à un supercalculateur qui est toujours orchestré ensemble."

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Dans la vision d'IBM de l'avenir du calcul, les machines auront des composants qui peuvent exécuter des circuits quantiques sur le matériel quantique.Cependant, ce composant sera cousu avec la mémoire classique et l'infrastructure classique.Ce type de structure hybride peut être utilisé pour des problèmes tels que les simulations moléculaires, qui utilise un algorithme hybride quantique-classique appelé le eigensolver quantique variationnel.

Logiciel quantique

Les circuits quantiques ne sont pas comme les circuits classiques.La logique des portes est différente, et la langue des algorithmes est différente.

Lorsque le premier ordinateur quantique d'IBM a été lancé sur le cloud en 2016, il est venu avec un langage d'assemblage, appelé OpenQasm, qui a été utilisé pour développer des programmes. This coming year, IBM will integrate “dynamic circuits" that can measure qubits and process classical information concurrently into their OpenQASM 3 library.Il s'agit également d'une amélioration matérielle qui dépend de l'électronique de contrôle améliorée et d'une meilleure messagerie en temps réel entre le côté de commande du circuit et le côté de mesure.Il peut permettre plus de corrections d'erreur et de vérifications de parité.

Le codage de la langue de base pour ces types d'opérations formera des primitives, ou les éléments de calcul de base d'un algorithme, qui feront tous partie de la plate-forme d'exécution Qiskit d'IBM, un service de calcul et un modèle de programmation pour les calculs quantiques.Qiskit contient différents niveaux de langages d'assemblage pour les développeurs de noyau qui pourraient avoir à travailler avec le code et le matériel et une API de la pile Qiskit pour que les développeurs d'algorithmes travaillent sans serveur.

“At this higher level for algorithm developers, you don’t need to care about running it on any particular backend when you have this cloud environment where you can access the CPUs, GPUs, and QPUs, all orchestrated together," Chow says.«Cela nous permet d'utiliser les ressources classiques de concert avec nos ressources quantiques pour gérer certains des plus gros problèmes de circuit quantique - des ictions qui pourraient pousser des choses comme l'avantage quantique."

Charlotte est la rédactrice en chef de la technologie adjointe chez Popular Science.Elle souhaite comprendre comment notre relation avec la technologie change et comment nous vivons en ligne.Contactez l'auteur ici.

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