19 SECONDES CONTRE UN SIÈCLE DE SUPERCALCULATEUR

L’avantage quantique, c’est montrer qu’un ordinateur quantique réussit une tâche qu’aucun supercalculateur classique ne peut terminer en un temps raisonnable. Le test de référence est l’échantillonnage de circuits aléatoires : on applique une suite de portes quantiques tirées au hasard sur des dizaines de qubits, puis on les mesure. On obtient des chaînes de 0 et de 1 tirées d’une distribution de probabilité que les ordinateurs classiques ont énormément de mal à reproduire.

Point important : cette tâche n’a aucune utilité pratique. C’est un banc d’essai — un chronomètre de la puissance de calcul brute.

Une course des deux côtés

Le processeur Sycamore a ouvert la course avec 53 qubits, suivi de Zuchongzhi 2.0 et 2.1, de Sycamore à 67 qubits, puis de Zuchongzhi 3.0 avec 83 qubits actifs. En face, les algorithmes classiques n’ont cessé de progresser et ont fait chuter de plusieurs ordres de grandeur le coût de reproduire ces expériences. Chaque affirmation doit donc préciser à quelle tâche classique exacte elle se compare.

Jusqu’ici, toutes ces démonstrations tournaient sur des machines de laboratoire dédiées, soigneusement réglées pour l’occasion.

Un processeur loué par le cloud

Une équipe de la start-up BlueQubit (San Francisco), avec des collègues de l’EPFL et de la Fondation XPRIZE, a utilisé un processeur IBM Nighthawk r2 : 120 qubits supraconducteurs sur une grille carrée de 12 × 10. Accès par le cloud, avec les outils standard Qiskit d’IBM, sans aucune calibration spéciale. Les auteurs ne sont pas d’IBM : ils ont utilisé la machine via le programme start-up d’IBM et précisent que leurs vues ne sont pas celles d’IBM.

Ils ont utilisé 61 qubits — trois ont été écartés d’après leurs données de calibration —, reliés par 102 coupleurs.

Vérifier le résultat directement est impossible : c’est justement ce que les ordinateurs classiques ne savent pas faire. L’équipe a donc utilisé deux estimations indépendantes de la fidélité du circuit :

• un test « miroir » : exécuter un circuit puis son inverse exact, et vérifier que les qubits reviennent à leur point de départ — sans aucune simulation ;
• un test « par morceaux » : couper le circuit en 3 ou 4 morceaux assez petits pour être simulés, et vérifier chacun.

Les chiffres

• Les deux estimations concordent à toutes les profondeurs mesurées.
• Fidélité par cycle : 0,872, contre 0,836 sur la première génération Nighthawk r1 — plus de dix fois mieux après 32 à 40 cycles.
• Le point de référence : 36 cycles, 918 portes à deux qubits, une fidélité d’environ 0,0023. Un million d’échantillons collectés en 19 secondes.
• Calculer une seule probabilité de sortie en classique coûte environ 10²² opérations — environ deux jours du supercalculateur Frontier.
• Produire le même million d’échantillons en classique : environ 1,2 × 10²⁷ opérations, soit environ 110 ans sur Frontier.
• L’expérience complète a utilisé environ 11 minutes de temps sur l’ordinateur quantique.
• Les « tricheries » classiques connues — couper le circuit en morceaux pour imiter le score — restent au moins dix fois en dessous du score mesuré.

Les petites lignes

Les 110 ans sont une estimation pour un algorithme classique précis, pas une limite absolue. Elle suppose une mémoire illimitée, ce qui avantage le côté classique. D’autres méthodes — réutiliser le calcul entre de nombreuses probabilités, simulations approchées — pourraient réduire le coût. Et, écrivent les auteurs, l’histoire de ce banc d’essai dit que certaines y parviendront.

Un test que chacun peut refaire

Selon les auteurs, c’est la première démonstration d’avantage quantique en échantillonnage de circuits aléatoires standard sur un processeur commercial, largement accessible, que la plupart des utilisateurs non experts peuvent reproduire. Les circuits, les données — y compris le million d’échantillons — et le code sont publics.