Le 9 décembre 2024, l’équipe quantique de Google publie un résultat revu par les pairs qui circule aussitôt dans toute la presse spécialisée : la première mémoire logique passant sous le seuil critique de correction d’erreur. La plus grande de leurs machines en mobilise 101, et cette mémoire vit 2,4 fois plus longtemps que le meilleur qubit de la puce.

Vue rapprochée d'une puce supraconductrice bleutée, gravée de pistes longues et repliées et de quelques motifs en croix.
Une puce à quatre qubits d’IBM : les longues pistes repliées sont les résonateurs, les motifs en croix les qubits eux-mêmes. Il en faut cent un de ce genre pour obtenir un seul qubit corrigé. (Photographie Jay M. Gambetta, Jerry M. Chow et Matthias Steffen, npj Quantum Information, 2017, via Wikimedia Commons, licence CC BY 4.0, page d’origine)

Cent un composants pour en obtenir un seul.

Un calcul quantique, l’épisode précédent l’a montré, tient dans une chorégraphie d’un seul tenant, jouée sans regarder, dont on ne lit le résultat qu’à la fin. Encore faut-il qu’elle aille jusqu’au bout.

Combien de temps les danseurs tiennent-ils debout ?

Un qubit ne tombe pas en panne, il oublie

Les qubits sont fragiles au point que toute interaction avec l’extérieur, si minime soit-elle, détruit la superposition sur laquelle repose le calcul : les physiciens appellent cela la décohérence.

Les ingénieurs appellent durée de vie le temps qu’un qubit tient avant que cela arrive. Sur les meilleures puces supraconductrices, gravées dans un film métallique de quelques centaines de nanomètres et maintenues autour de dix millikelvins, elle se compte en dizaines de microsecondes, parfois une milliseconde. Passé ce délai, l’information s’est dissoute dans l’environnement.

La conséquence tombe d’elle-même : le calcul doit être fini avant l’oubli, ce qui plafonne le nombre d’opérations enchaînables, et les spécialistes parlent alors de profondeur de circuit. Doubler la durée de vie double la longueur des calculs possibles.

Et si un danseur trébuche en route, aucune étape intermédiaire n’a été gardée. Tout est perdu.

Un qubit logique n’existe nulle part en particulier

Les physiciens ont trouvé une parade, et son principe déroute : il ne s’agit pas de protéger un composant fragile en l’entourant de gardes du corps, mais de fabriquer un qubit qui n’existe nulle part en particulier. Le procédé porte un nom : la correction d’erreur quantique.

Reprenons les deux mots, matériellement. Un qubit physique est un objet qu’on peut montrer du doigt : un résonateur et sa jonction, gravés sur la puce. Il occupe une position, il a une fréquence propre, il a une durée de vie. Une photographie suffit à le saisir. Un qubit logique, non. Ni un composant, ni un composant escorté par d’autres. C’est ce qu’on obtient en combinant plusieurs qubits physiques, et sa valeur n’est stockée dans aucun d’eux.

À gauche une piste repliée avec sa jonction ; à droite une grille de 49 carrés et de ronds encadrée en vert.
Le qubit physique est un composant qu’on peut montrer du doigt. Le qubit logique n’est contenu dans aucun composant : sa valeur est portée par les 49 qubits de données ensemble. (Schéma Shy Robotics)

Où se trouve-t-elle, alors ?

Dans les relations entre eux. Ils portent la valeur collectivement, ces quarante-neuf qubits de données, ce qui oblige à les mesurer tous et à combiner les résultats pour la connaître. Prenez-en un au hasard, isolez-le, regardez-le : il ne vous dira rien.

Les quarante-huit qubits de mesure lèvent la dernière ambiguïté : ils ne portent aucune information, ils vérifient en permanence si leurs voisins restent d’accord entre eux, ce qu’on appelle une parité, et cela suffit à repérer qu’une erreur vient de survenir sans jamais apprendre la valeur. Ils se répartissent en deux familles, l’une guettant les basculements de valeur, l’autre les basculements de phase, et Google mesure d’ailleurs sa grille séparément dans ces deux bases.

Le seuil, et ses deux mondes

Corriger les erreurs a un coût qu’il faut regarder en face : les qubits ajoutés pour surveiller les autres font eux-mêmes des erreurs, et tant que le composant de base reste trop mauvais, ces erreurs nouvelles dépassent celles qu’on corrige, si bien qu’ajouter des qubits aggrave la situation au lieu de l’améliorer.

Le seuil marque le point de bascule entre ces deux mondes : en dessous, chaque couche ajoutée divise l’erreur ; au-dessus, elle la multiplie. Google l’écrit noir sur blanc, avec un taux d’erreur mesuré à 0,143 % par cycle de correction sur sa grille de distance 7 : l’erreur ne décroît exponentiellement avec le nombre de qubits que si le taux d’erreur physique passe sous un seuil critique.

Deux courbes partant d'un même point : l'une monte, l'autre descend, selon qu'on est au-dessus ou en dessous du seuil.
Au-dessus du seuil, ajouter des qubits aggrave l’erreur. En dessous, chaque couche ajoutée la divise. Google a franchi cette frontière fin 2024. (Schéma Shy Robotics)

Google n’a donc pas démontré une machine utile, mais le passage d’une frontière : pour la première fois, empiler des qubits servait à quelque chose. Trente ans durant, la théorie l’avait promis sans qu’aucune machine ne le montre.

D’où sortent exactement les cent un

La taille de ces grilles porte un nom : la distance. Elle désigne le nombre de couches de surveillance dont on entoure l’information, de sorte que plus de couches signifie plus de qubits physiques, et une mémoire qui tient plus longtemps.

Trois grilles de distances 3, 5 et 7 avec leur formule, puis le décompte détaillé en 49 qubits de données, 48 de mesure et 4 d'évacuation.
La formule 2d² − 1 donne 97. Les quatre qubits manquants servent à évacuer les fuites vers les états parasites du transmon. Total publié : 101. (Schéma Shy Robotics)

La formule se vérifie à la main. Un code de surface de distance d mobilise 2d² − 1 qubits physiques par qubit logique : trois couches en demandent 17, cinq en demandent 49, sept en demandent 97. Reste l’écart avec les 101 annoncés, et la publication le détaille. Le code de distance 7 de Google se compose de 49 qubits de données, de 48 qubits de mesure, et de 4 qubits supplémentaires dits d’évacuation des fuites. Quarante-neuf plus quarante-huit plus quatre font bien cent un.

Une grille de 49 carrés bleus entourée de 48 ronds gris et de 4 ronds verts aux angles, le tout dans un cadre en pointillés.
Un seul qubit logique, vu de dessus : 49 qubits de données en grille de 7 sur 7, 48 qubits de mesure entre eux et autour, 4 qubits d’évacuation des fuites aux angles. (Schéma Shy Robotics)

Ces quatre-là disent quelque chose du matériel. Un qubit supraconducteur n’a pas deux états mais toute une échelle de niveaux d’énergie, et il lui arrive de grimper au-dessus du un, dans un état parasite dont il ne redescend pas seul. Cette fuite se vide à chaque cycle, par ces quatre qubits de bord.

Les équipes de Google ont mesuré l’effet, et cette mesure fait toute la valeur du résultat de 2024 : chaque fois qu’elles ajoutent deux couches, le taux d’erreur chute d’un facteur 2,14.

Ils n’ont pourtant rien démontré d’utile. Aucun algorithme n’a tourné dessus. Les équipes ont obtenu une mémoire, pas un calcul.

Le pari d’Alice & Bob : supprimer la moitié du problème

Dans le laboratoire d’Alice & Bob, la même facture se lit à l’envers : cent un composants pour en obtenir un seul, personne ne saura payer cela à grande échelle. L’entreprise a entrepris de la faire baisser, et sa méthode explique l’achat français.

Deux colonnes opposant un qubit ordinaire, dont les deux états sont deux niveaux d'énergie voisins, et un qubit de chat, dont les deux états sont deux oscillations de phases opposées.
Deux façons de fabriquer un qubit. Le transmon encode dans deux niveaux d’énergie voisins ; le qubit de chat encode dans deux oscillations de phases opposées. (Schéma Shy Robotics)

Un qubit ordinaire encode son zéro et son un dans les deux niveaux d’énergie les plus bas d’un circuit supraconducteur. Un qubit de chat enferme des photons micro-ondes dans le résonateur, cette piste gravée et repliée, et encode l’information dans deux oscillations de phases opposées. Les deux sont supraconducteurs : cette comparaison se joue à l’intérieur d’une seule famille technologique.

Un cercle représentant l'espace des phases, avec deux états opposés placés de part et d'autre et la distance qui les sépare.
Les deux états d’un qubit de chat vivent aux antipodes l’un de l’autre. Plus le résonateur contient de photons, plus la distance grandit. (Schéma Shy Robotics)

Le mécanisme relève de la pure géométrie, et le pari y gagne sa finesse : les deux oscillations vivent très loin l’une de l’autre, l’écart grandit à mesure qu’on enferme des photons dans le résonateur, si bien que pour basculer, le système devrait franchir toute cette distance d’un seul coup. Autant demander à une bille de sauter d’une vallée à l’autre.

La littérature chiffre l’échange sans détour : le taux de basculement de valeur décroît exponentiellement avec le nombre de photons enfermés, tandis que celui de basculement de phase augmente linéairement.

Une objection surgit ici, et elle mérite mieux qu’une pirouette. La grille de Google corrige les deux sortes d’erreurs ; Alice & Bob n’en corrige plus qu’une. La protection ne serait-elle pas deux fois moindre ?

Non, car la seconde erreur n’est pas abandonnée : elle est traitée ailleurs. Le basculement de valeur ne disparaît pas grâce à un code, il disparaît dans le composant lui-même. Guillaud et Mirrahimi l’écrivent ainsi : les basculements de valeur sont supprimés exponentiellement avec le nombre moyen de photons.

Les deux approches règlent donc la même facture, mais dans deux monnaies différentes. Google paie les deux erreurs en qubits, et le coût suit le carré de la distance. Alice & Bob paie la première en photons, qu’on ajoute dans un résonateur sans rien graver de plus, et la seconde en qubits, sur une file.

Les photons coûtent moins cher que les qubits. Toute l’affaire tient là.

Reste à voir où se trouve l’économie, car elle ne saute pas aux yeux. La grille de Google occupe deux dimensions parce qu’elle doit attraper les deux sortes d’erreurs à la fois : les deux familles de qubits de mesure s’entrelacent, et chaque qubit de données doit avoir des voisins dans les deux directions.

Supprimez une des deux sortes, et la surface perd sa raison d’être. Une file suffit alors, où chaque qubit de données est encadré par un qubit de mesure qui compare ses deux voisins. Les physiciens appellent cela un code de répétition, et Jérémie Guillaud et Mazyar Mirrahimi en ont publié la version adaptée aux qubits de chat dans Physical Review X en 2019 : un code de répétition à une dimension.

À gauche une grille de 7 sur 7 avec ses qubits de mesure entrelacés ; à droite une simple file alternant qubits de données et qubits de mesure.
Deux sortes d’erreurs imposent une surface, dont le coût suit le carré de la distance. Une seule sorte se corrige sur une file, dont le coût suit la distance. (Schéma Shy Robotics)

Les deux formules se ressemblent, et c’est ce qui rend l’écart parlant. Une grille de distance d coûte 2d² − 1 qubits, soit 97 pour sept couches. Une file de même distance coûte 2d − 1, soit treize. Le carré a disparu.

Les auteurs d’Alice & Bob emploient une expression qui résume l’affaire : les qubits de chat réduisent l’empreinte matérielle du calcul tolérant aux fautes.

Une réserve s’impose aussitôt, et la publication la porte elle-même. Ce raccourci ne vaut que si les basculements de valeur sont complètement supprimés ; s’il en subsiste, il faut revenir à des codes de surface, plus légers que ceux de Google mais toujours en deux dimensions. Le CEA reste d’ailleurs prudent : la technologie corrige nativement l’une des deux sources du bruit.

Une seule.

Dix-huit qubits de chat ne se comparent donc pas à dix-huit qubits ordinaires. Le chiffre seul ne dit rien.

Quatre cases dessinées portant les quatre mots à retenir devant toute annonce chiffrée.
Quatre mots à exiger devant tout nombre de qubits annoncé. Sans eux, le chiffre ne mesure rien. (Schéma Shy Robotics)

Retenez la règle, elle servira jusqu’à la fin : un nombre de qubits ne mesure rien s’il arrive seul, il lui faut son taux d’erreur, sa durée de vie, et la précision physique ou logique. Un chiffre nu relève du communiqué de presse, pas de la technique.

Rien de tout cela ne fonctionne encore à l’échelle utile. Aucun algorithme n’a tourné sur une mémoire logique, et la facture reste hors de portée.

Pourquoi, alors, une échéance datée existe-t-elle déjà quelque part ?

Le prochain épisode répond, et la date en question ne sort d’aucun laboratoire.

D’ici là, voici l’une des autres technologies développées en France au sein de cette vidéo :

Sources

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