Les nouveaux « réfrigérateurs quantiques » d’IBM sont près de 200 fois plus froids que l’espace lointain et pourraient ouvrir la voie à une informatique quantique tolérante aux pannes.

IBM a dévoilé un nouveau système modulaire ultra-froid conçu pour relier des centaines de puces informatiques quantiques afin de résoudre l’un des plus grands goulots d’étranglement en matière d’infrastructure dans le domaine.

L’entreprise affirme que ses nouveaux « réfrigérateurs quantiques » lui permettront de livrer le premier ordinateur quantique tolérant aux pannes au monde en 2029. Ces systèmes stables utilisent correction d’erreur quantique techniques pour corriger le bruit en temps réel et exécuter des opérations quantiques sans interruption.

Atteindre la tolérance aux pannes permettrait aux informaticiens de mener de nouvelles recherches dans un large éventail de domaines. Que ce soit en chimie, en science des matériaux ou en physique théorique, les chercheurs pourraient mener des opérations quantiques bien au-delà de la portée des superordinateurs modernes, sans se soucier des erreurs excessives rendant les calculs inutiles.

Jusqu’à présent, l’infrastructure était l’un des plus grands obstacles entre les systèmes actuels sujets aux erreurs et les ordinateurs quantiques supraconducteurs tolérants aux pannes, capables d’effectuer parfaitement une centaine de millions d’opérations. Les représentants d’IBM affirment avoir résolu ce problème grâce à ses réfrigérateurs quantiques modulaires et interconnectés.

Le nouveau système cryogénique comprend des unités individuelles mesurant 8 pieds (2,4 m) de haut sur 8 pieds de large, avec une capacité interne d’environ 9 pieds cubes (0,25 m cube).

Il ressemble à un réfrigérateur domestique et fonctionne de la même manière, mais il peut atteindre des températures aussi basses que 10 millikelvins (moins 459,65 degrés Fahrenheit ou moins 273,14 degrés Celsius), soit près de zéro absolula température théorique la plus froide possible — soit plus de 180 fois plus froid que l’espace lointain.

Ces températures extrêmement basses sont nécessaires aux systèmes supraconducteurs d’IBM. unités de traitement quantique (QPU) pour fonctionner correctement, et la conception modulaire permet aux ingénieurs d’étendre les capacités d’un système et d’alimenter un étage à la fois.

Selon les représentants d’IBM, cette étape représente la première fois que des scientifiques démontrent l’interconnectivité entre les QPU entre des modules cryogéniques distincts.

Informatique quantique modulaire

Tout comme leurs homologues informatiques classiques, les ordinateurs quantiques supraconducteurs utilisent des circuits intégrés, ou « portes, » pour effectuer les opérations de traitement. Les ingénieurs peuvent toutefois compresser un nombre fini de qubits par puce, et chaque puce doit être refroidie en dessous de 15 mK (moins 459,64 F ou moins 273,14 C) pour fonctionner correctement dans l’architecture d’IBM.

En effet, les qubits sont intrinsèquement bruyants, ce qui signifie qu’ils sont naturellement beaucoup plus sujets aux erreurs que les composants informatiques conventionnels. Pour exploiter les propriétés mécaniques quantiques des métaux supraconducteurs dans les qubits sans échouer dans les calculs, les scientifiques doivent minimiser les interférences de la chaleur avec d’autres stimuli, comme électromagnétique flots.

Pour atteindre ces températures dans les nouveaux réfrigérateurs, les ingénieurs utilisent du matériel cryogénique tiers qui repose sur des cryocompresseurs à hélium associés à des moteurs de réfrigération à dilution commerciale pour le refroidissement. Ils maintiennent une protection thermique à l’aide de boîtiers scellés sous vide, de joints d’interférence électromagnétique et de boucliers thermiques multicouches en Mylar super-isolant.

Il faut plus de quatre jours pour que les modules atteignent une température d’environ 4 K (moins 452,47 F ou moins 269,15 C), la poussée finale vers des températures inférieures à 15 mK se produisant peu de temps après, ont déclaré les représentants d’IBM dans un communiqué. déclaration.

L’expansion au-delà de quelques centaines ou milliers de portes nécessite plus de puces et plus d’espace. Mais les ingénieurs ne peuvent pas simplement construire un bâtiment géant ultra-froid et le remplir de QPU. Cela nécessiterait d’énormes quantités d’infrastructures et rendrait le système fragile. Chaque fois qu’un ingénieur avait besoin de mettre à niveau le système, de résoudre un problème matériel ou d’inspecter les puces, il devait briser le joint thermique, ce qui risquait d’interrompre les opérations.

Le système cryogénique révolutionnaire d’IBM résout ce problème en fournissant aux ingénieurs des modules dédiés pouvant héberger un nombre limité de puces. L’innovation clé réside dans la possibilité de mettre en réseau des modules pour exploiter la puissance combinée des processeurs quantiques individuels. Ceci est réalisé grâce à la mise en œuvre de « coupleurs en L », des câbles supraconducteurs d’environ 1 mètre de long.

« Normalement, lorsque nous effectuons des opérations quantiques entre qubits, nous les effectuons sur puce », Cadran Oliviervice-président des opérations quantiques chez IBM, a expliqué lors d’une conférence de presse le 18 août. « Nous utilisons donc des coupleurs sur puce qui parcourent de très courtes distances pour créer enchevêtrement pour nous laisser faire des portes à 2 qubits. Les coupleurs en L nous permettent de réaliser le même exploit, mais sur un câble supraconducteur en aluminium pouvant mesurer jusqu’à environ un mètre de long. Et c’est vraiment essentiel pour nous car c’est la base de nos conceptions modulaires. »

Inaugurant la nouvelle ère de la tolérance aux pannes

IBM a l’intention de déployer sa nouvelle architecture cryogénique modulaire en 2027, avec des systèmes à court terme utilisant deux à trois cellules prenant en charge environ 1 000 qubits au total. L’objectif est d’atteindre 100 millions de portes – ou 100 millions d’opérations quantiques en une seule session – d’ici 2029. avec le lancement de l’ordinateur quantique « Starling » d’IBM.

Mais d’abord, il devra effectuer des calculs sur plusieurs modules. Jusqu’à présent, les scientifiques ont seulement démontré que deux modules cryogéniques pouvaient être interconnectés et refroidis simultanément aux températures de fonctionnement requises. Ils ont testé les modules pour des opérations de portail simples avec le processeur « Flamingo », mais n’ont pas encore effectué d’opérations complexes avec eux. L’équipe compte installer sa génération actuelle »Engoulevent » processeurs dans les prochains jours.

« Nous avons mis au point la science de la tolérance aux pannes en informatique, et… une grande partie de ce que nous faisons pour y parvenir maintenant est l’ingénierie. » Jerry Chowa déclaré le directeur de la technologie d’IBM pour le supercalcul quantique centré, lors de la conférence de presse. « Il ne s’agit pas d’une seule avancée pour parvenir à la tolérance aux pannes. Il s’agit en réalité de milliers de petites prouesses techniques que nous démontrons dans l’ensemble de notre écosystème, des processeurs à la pile logicielle, en passant par les contrôles, l’infrastructure et la correction d’erreurs qui se trouve au sommet. »

Les laboratoires d’informatique quantique utilisent actuellement d’autres systèmes cryogéniqueset d’autres systèmes informatiques quantiques sont conçus pour fonctionner à température ambiantecomme ceux qui utilisent photons (particules de lumière) – ou même diamants de laboratoire – sous forme de qubits.

Au cours de la conférence de presse, les représentants d’IBM ont affirmé que « Starling » serait un jour le premier ordinateur quantique tolérant aux pannes au monde. Mais si l’entreprise réussit réellement cet exploit, étant donné que d’autres sociétés d’informatique quantique poursuivent le même objectifest une autre question.

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