IBM a connecté et refroidi conjointement ses deux premiers modules cryogéniques quantiques, une infrastructure conçue pour permettre à l’avenir le raccordement de centaines de puces au sein de systèmes plus vastes. Les premières expérimentations ont permis d’atteindre des températures inférieures à 15 millikelvin, une étape d’ingénierie que la société relie à son objectif de construire l’IBM Quantum Starling, son ordinateur quantique tolérant aux erreurs prévu pour 2029.

Les clés des nouveaux systèmes cryogéniques d’IBM en 30 secondes

• IBM a relié deux modules cryogéniques afin qu’ils fonctionnent dans un même environnement ultrafroid.
• Le système atteint d’abord 4 kelvin en moins de cinq jours, puis descend en dessous de 15 millikelvin.
• Chaque module offre jusqu’à 12 fois plus d’espace pour le câblage comparé aux systèmes quantiques d’IBM les plus couramment utilisés.
• L’architecture permettra d’expérimenter des connexions entre plusieurs processeurs et constitue une étape vers Starling en 2029.

L’annonce peut sembler moins spectaculaire qu’un processeur avec davantage de qubits, mais elle aborde l’un des défis physiques lors de la montée en échelle de la informatique quantique : il ne suffit pas de fabriquer des puces de taille croissante. Il faut aussi les alimenter, les contrôler, les connecter, et les maintenir dans des conditions thermiques extrêmes, sans que toute cette infrastructure ne devienne un obstacle.

Un ordinateur quantique nécessite bien plus que des qubits

Les processeurs quantiques à supraconducteurs fonctionnent à des températures extrêmement basses. Ces conditions visent à réduire l’énergie thermique susceptible d’interférer avec l’état délicat des qubits.

C’est pourquoi les grands systèmes quantiques utilisent des réfrigérateurs à dilution, des structures à plusieurs étapes capables de s’approcher du zéro absolu, situé à 0 kelvin ou -273,15 °C.

La nouvelle installation d’IBM pousse cette démarche vers une architecture modulaire.

Les deux premiers modules opérationnels mesurent ensemble plus de 2,4 mètres de haut et 2,4 mètres de large. Lors des essais initiaux, ils ont pu atteindre simultanément 4 kelvin, température environ du liquide helium, en moins de cinq jours. Ensuite, ils ont été refroidis jusqu’à des températures inférieures à 15 millikelvin.

IBM compare cette dernière température à celle du vide spatial, affirmant qu’elle est plus de 180 fois inférieure.

Ce chiffre permet de comprendre dans quelles conditions ce genre de matériel doit fonctionner, mais la température n’est pas la seule variable importante dans cette annonce.

L’espace se révèle également crucial.

Chaque chambre à vide dispose de jusqu’à 12 fois plus d’espace pour le câblage que les systèmes quantiques d’IBM les plus courants. Cette capacité accrue est conçue pour accueillir un nombre beaucoup plus élevé de connexions entre processeurs, tant à l’intérieur de chaque module qu’entre différents modules.

Ce défi représente l’un des principaux enjeux de la prochaine génération d’ordinateurs quantiques.

IBM vise à faire évoluer la connectivité entre processeurs

L’industrie augmente depuis plusieurs années le nombre de qubits, mais la fabrication de processeurs monolithiques de taille toujours plus grande présente des difficultés techniques.

Une alternative consiste à suivre une voie qui, avec toutes les différences imposées par la computation quantique, rappelle l’évolution d’autres architectures informatiques : combiner plusieurs modules pour créer des systèmes plus vastes.

Le nouveau design cryogénique d’IBM, en forme de boîte, permet d’installer différentes unités sur la même rangée.

Au sein de cette infrastructure, entrent en jeu les L-couples, des connexions développées par IBM pour relier des puces quantiques séparées et leur permettre de constituer un système plus grand.

L’entreprise prévoit d’utiliser cette technologie dès 2027 pour connecter plusieurs processeurs et atteindre au moins 1 000 qubits programmables. Sa feuille de route envisage que Nighthawk puisse évoluer jusqu’à neuf modules de 120 qubits, avec jusqu’à 1 080 qubits et 10 000 portes logiques durant cette période.

Avant cela, il faudra évaluer la performance de l’infrastructure avec des processeurs réels.

IBM prévoit d’installer des processeurs Quantum Nighthawk dans ces nouveaux modules cryogéniques en 2026, pour renforcer ses tests opérationnels.

Nighthawk dispose actuellement de 120 qubits programmables et utilise une topologie en grille carrée, permettant à chaque qubit d’être connecté à jusqu’à quatre voisins. IBM l’envisage comme une plateforme pour augmenter progressivement la complexité des charges de travail, avant d’arriver à des systèmes tolérants aux erreurs à grande échelle.

L’objectif n’est pas seulement d’intégrer davantage de qubits dans une cryo-structure. IBM doit également démontrer qu’elle peut maintenir ces conditions cryogéniques tout en contrôlant plusieurs processeurs, et en augmentant considérablement le nombre de connexions.

De Nighthawk à Starling : l’objectif pour 2029

Le projet clé pour mieux comprendre cette annonce est IBM Quantum Starling.

Depuis un certain temps, la société fixe 2029 comme l’année où elle espère mettre à disposition de ses clients son premier ordinateur quantique tolérant aux erreurs à grande échelle.

La tolérance aux erreurs cherche à surmonter une des principales limites de la computation quantique actuelle. Les qubits sont très sensibles au bruit et peuvent commettre des erreurs durant les opérations. Pour exécuter des algorithmes longs et fiables, il faut des mécanismes capables de détecter et corriger ces erreurs en cours de calcul.

IBM développe à cet effet une architecture basée sur des codes de correction d’erreurs, impliquant différentes générations de processeurs et de connexions.

Sa stratégie inclut Nighthawk pour augmenter l’échelle et la complexité des circuits, ainsi que des architectures comme Kookaburra et Cockatoo, destinées à démontrer les composants nécessaires pour les futurs systèmes tolérants aux erreurs.

Starling constitue l’étape suivante majeure.

IBM prévoit que le système disposera de 200 qubits logiques et pourra réaliser 100 millions d’opérations ou portes quantiques, une différence significative par rapport au simple nombre de qubits physiques installés.

Un qubit logique est construit à partir de plusieurs qubits physiques combinés avec des techniques de correction d’erreurs. Par conséquent, les milliers de qubits physiques présents dans les modules cryogéniques ne doivent pas être confondus avec les 200 qubits logiques attendus pour Starling.

La société envisage également d’aller encore plus loin par la suite. Son plan inclut Blue Jay pour 2033 ou après, avec jusqu’à 2 000 qubits et la capacité à effectuer 1 milliard d’opérations quantiques.

Il s’agit d’objectifs commerciaux et technologiques, qui ne sont pas encore à notre portée immédiate. IBM elle-même précise dans sa feuille de route que ces plans représentent ses ambitions actuelles et qu’ils peuvent être modifiés.

L’infrastructure devient aussi importante que le processeur

Cette nouvelle organisation cryogénique illustre aussi une évolution intéressante dans la filière quantique.

Pendant longtemps, l’attention s’est principalement portée sur les processeurs et le nombre de qubits. À mesure que les systèmes s’agrandissent, l’infrastructure entourant la puce gagne en importance.

Refroidissement, électronique de contrôle, câblage, interconnexions, décodage d’erreurs, et systèmes classiques de haute performance doivent fonctionner en synergie.

IBM Quantum System Two est déjà conforme à cette philosophie. Son architecture associe une infrastructure cryogénique évolutive, une électronique de contrôle modulaire, et des serveurs classiques d’exécution, permettant l’intégration de plusieurs unités de traitement quantique (QPU) dans un centre de données.

Trois composants clés de ce système ont été intégrés également dans la nouvelle architecture cryogénique modulaire. L’objectif est de pouvoir les tester et les modifier indépendamment, sans redessiner tout le système à chaque modification d’un élément.

Ce défi prendra une ampleur considérable dans les prochaines années.

IBM reconnaît dans sa planification que pour atteindre des systèmes tels que Blue Jay, il sera nécessaire de développer une nouvelle électronique de contrôle et une infrastructure cryogénique adaptée, tout en recherchant des solutions pour réduire l’espace, la consommation d’énergie et le coût de ces machines.

Ainsi, doubler la taille de deux réfrigérateurs ultrafroids et les faire fonctionner ensemble à moins de 15 millikelvin ne résout pas la question de la tolérance aux erreurs en calcul quantique, mais constitue une étape concrète de l’ingénierie nécessaire pour transformer des centaines de puces individuelles en une machine quantique de grande échelle.

Le vrai défi à venir sera d’intégrer davantage de processeurs, de connexions et de systèmes de correction d’erreurs plus complexes, tout en préservant la stabilité indispensable aux qubits.

Questions fréquentes

À quelle température fonctionnent les nouveaux systèmes cryogéniques d’IBM ?

Les premières expérimentations ont permis de descendre les deux modules reliés en dessous de 15 millikelvin, après avoir atteint 4 kelvin en moins de cinq jours.

Pourquoi IBM a besoin de réfrigérateurs aussi grands pour ses ordinateurs quantiques ?

Les processeurs à supraconducteurs nécessitent des températures extrêmes. De plus, les futurs systèmes réclameront beaucoup plus d’espace pour le câblage et les connexions entre de nombreux puces quantiques.

Qu’est-ce que IBM Quantum Starling ?

Starling est l’ordinateur quantique tolérant aux erreurs qu’IBM projette de rendre accessible à ses clients en 2029. La société prévoit qu’il dispose de 200 qubits logiques et la capacité d’effectuer 100 millions d’opérations quantiques.

Ce nouvel horizon signifie-t-il qu’IBM possède déjà un ordinateur tolérant aux erreurs ?

Pas encore. La plateforme cryogénique est une étape de l’infrastructure nécessaire pour atteindre cet objectif. IBM doit encore faire progresser ses processeurs, ses interconnexions, la correction d’erreurs, le logiciel, et la décodification.

pour en savoir plus : Vidéo d’IBM