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Un processeur quantique d’IBM a réalisé un benchmark d’échantillonnage en 19 secondes, une opération qui, selon les estimations des chercheurs, aurait demandé environ 110 ans au supercalculateur Frontier avec leur modèle de simulation.
Dans une étude publiée sur arXiv le 23 septembre, des chercheurs ont fait état d’un avantage computationnel quantique à l’aide du processeur Nighthawk r2 d’IBM, doté de 120 qubits. En exécutant un benchmark connu sous le nom d’échantillonnage de circuits aléatoires, le système a généré 1 million d’échantillons en 19 secondes. À l’aide d’un modèle de simulation par réseau tensoriel, les auteurs estiment que la génération d’échantillons d’une fidélité comparable sur Frontier aurait demandé environ 110 ans et nécessité 1,2 × 10²⁷ opérations en virgule flottante. Le chiffre de 19 secondes couvre l’exécution de l’échantillonnage ; l’expérience complète a mobilisé le processeur quantique pendant environ 11 minutes.
« À notre connaissance, écrivent les auteurs « il s’agit de la première démonstration d’un avantage quantique pour un échantillonnage de circuits aléatoires classique sur un processeur quantique commercial et largement accessible, que la plupart des utilisateurs non experts d’ordinateurs quantiques peuvent facilement reproduire. »
Sortir du sous-sol de la recherche
Lorsque Google a fait la une en 2019 en revendiquant un avantage quantique avec son dispositif Sycamore de 53 qubits, le test avait été réalisé sur un matériel conçu spécifiquement à cet effet, au sein d’un centre de recherche d’élite. À l’inverse, l’équipe de BlueQubit a accédé au Nighthawk r2 via la plateforme cloud publique d’IBM. Elle a utilisé des piles d’exécution cloud standard, sans appliquer de calibrage personnalisé spécifique au benchmark avant d’exécuter le circuit de 61 qubits et 36 cycles.
Une exécution plus rapide des circuits constitue une première amélioration ; l’étude fait également état d’une meilleure fidélité que celle du Nighthawk r1. Le Nighthawk r2 d’IBM conserve les 120 qubits programmables de son prédécesseur, le Nighthawk r1. IBM compare son débit à celui de la famille distincte de processeurs Heron. Le Nighthawk intègre toutefois des éléments matériels de réinitialisation directement sur chaque qubit.
Selon IBM, ce mécanisme de réinitialisation réduit le temps effectif de relaxation énergétique d’un qubit, qui passe d’environ 200 microsecondes à quelque 25 nanosecondes, ce qui permet de ramener à seulement 1 microseconde les périodes d’inactivité entre deux exécutions de circuit. IBM fait état d’un débit supérieur à 100 000 exécutions de circuits par seconde, contre environ 4 000 pour Heron. Par ailleurs, IBM développe une infrastructure cryogénique modulaire pour prendre en charge des systèmes quantiques de plus grande taille.
Réalités architecturales et compromis
L’estimation de 110 ans s’accompagne de réserves habituelles. Elle suppose une mémoire de travail illimitée et l’utilisation de 20 % des performances théoriques maximales de Frontier. Elle s’applique à une stratégie d’échantillonnage précise et ne fixe pas de durée minimale pour toutes les approches classiques. Les chercheurs en informatique classique conçoivent régulièrement des raccourcis algorithmiques ingénieux qui réduisent ces écarts.
En outre, l’échantillonnage de circuits aléatoires reste un benchmark mathématique synthétique, conçu spécifiquement pour démontrer un écart computationnel, plutôt qu’une application permettant de résoudre des problèmes concrets de logistique ou de chimie. Les résultats ont été publiés sous forme de prépublication sur arXiv. D’autres travaux, notamment une architecture de qubits à hélium superfluide, explorent d’autres moyens de réduire les erreurs quantiques.
Ce qu’en a retenu eWeek : la vitesse du benchmark ne permet pas encore de trancher le cas d’usage commercial
Pour les équipes d’entreprise qui évaluent des services quantiques, l’essentiel est de mesurer le débit des circuits parallèlement à la précision, aux coûts d’accès et aux performances sur la charge de travail visée. Ce benchmark d’échantillonnage ne démontre pas l’existence d’un avantage pour la logistique, la chimie ou une autre application métier. Par ailleurs, l’avancée d’IBM dans la Quantum Benchmarking Initiative de la DARPA soumet son approche à un examen indépendant visant à déterminer si sa valeur computationnelle peut dépasser son coût.
Avant de s’engager dans un projet pilote, les équipes devraient demander une comparaison de bout en bout avec leur meilleure solution classique, en incluant le temps d’attente dans la file, le prétraitement, l’atténuation des erreurs et le coût total. Ces mesures permettraient de déterminer si une exécution plus rapide des circuits se traduit par une valeur commerciale.
Pour en savoir plus : découvrez comment les chercheurs vont au-delà des benchmarks d’échantillonnage en utilisant un simulateur quantique pour modéliser la physique de la rupture des cordes.