{"id":17847,"date":"2019-09-22T18:10:41","date_gmt":"2019-09-22T17:10:41","guid":{"rendered":"https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/?p=17847"},"modified":"2020-11-27T18:27:52","modified_gmt":"2020-11-27T17:27:52","slug":"interpreter-suprematie-quantique-google","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/2019\/interpreter-suprematie-quantique-google\/","title":{"rendered":"Interpr\u00e9ter la supr\u00e9matie quantique de Google"},"content":{"rendered":"

Le jour m\u00eame o\u00f9 je publiais l’\u00e9dition 2019 de l\u2019ebook Comprendre l\u2019informatique quantique<\/a> (504 pages), un rapport de recherche \u00e9tait \u00e9vent\u00e9 temporairement sur le site de la NASA selon lequel Google aurait atteint la supr\u00e9matie quantique. Il \u00e9tait d\u2019abord rep\u00e9r\u00e9 par le Financial Times<\/a>. J\u2019\u00e9voquais bien cette \u00e9ch\u00e9ance et sa signification dans l\u2019ebook, mais sans date pr\u00e9cise. Je me suis alors empress\u00e9 de mettre \u00e0 jour l\u2019ebook pour int\u00e9grer cette nouvelle significative.<\/p>\n

Pour m\u00e9moire, on atteint la supr\u00e9matie quantique avec un ordinateur quantique lorsque celui-ci est capable d’ex\u00e9cuter un algorithme donn\u00e9 (pas tous…) qu’il est impossible de faire tourner avec son \u00e9quivalent classique dans un temps d’\u00e9chelle humaine sur les supercalculateurs les plus puissants du monde. L’expression de supr\u00e9matie quantique a \u00e9t\u00e9 lanc\u00e9e en 2011 par John Preskill, qui \u0153uvre \u00e0 l’Universit\u00e9 CalTech aux USA.<\/p>\n

La notion d’avantage quantique correspond au cas o\u00f9 la vitesse d’ex\u00e9cution est plus rapide qu’un \u00e9quivalent classique sur un supercalculateur mais o\u00f9 ce dernier peut se faire \u00e0 une \u00e9chelle humaine, soit au pire en quelques semaines. On peut aussi parler d’avantage \u00e9nerg\u00e9tique lorsqu’un calculateur quantique consomme beaucoup moins d’\u00e9nergie qu’un supercalculateur pour r\u00e9soudre le m\u00eame probl\u00e8me.<\/p>\n

En 2018, on pouvait anticiper que l’atteinte de la supr\u00e9matie quantique alimenterait tout un tas de fantasmes. Cela n\u2019a pas manqu\u00e9 de se produire, au moins au niveau de la titraille dans les m\u00e9dias. Nous avons ainsi Google aurait fabriqu\u00e9 l\u2019ordinateur quantique le plus puissant au monde<\/a> sur Tom\u2019s Guide (une traduction) qui cohabite avec le plus raisonnable Qu’est-ce que la “supr\u00e9matie quantique”, que Google pr\u00e9tend ma\u00eetriser ?<\/a> dans l\u2019Express. J’en connais qui vont aussi en profiter pour affirmer haut et fort que cela signe une fois encore la sup\u00e9riorit\u00e9 des GAFA et que l’on n’y coupera pas, que l’Europe et la France sont foutues (disclaimer : non<\/strong> !).<\/p>\n

On peut lire dans Tom\u2019s Guide que \u201cle processeur de leur machine aurait \u00e9t\u00e9 capable d\u2019effectuer un calcul math\u00e9matique en 3 minutes et 20 secondes que les ordinateurs les plus performants du monde auraient mis 10 000 ans \u00e0 r\u00e9soudre<\/em>\u201d. C’est vrai, mais pas sur “un calcul quelconque”. Vu comme cela, c\u2019est extraordinaire et r\u00e9volutionnaire \u00e0 court terme. Nous allons voir qu\u2019il en va tout autrement lorsque l\u2019on creuse la question.<\/p>\n

Les circonstances de la publication de cette nouvelle sont faites pour faire gamberger. En effet, le papier avait \u00e9t\u00e9 publi\u00e9 trop t\u00f4t par inadvertance par la NASA et avait \u00e9t\u00e9 imm\u00e9diatement retir\u00e9 du site de la NASA. Entre samedi 21 et dimanche 22 septembre 2019, des sp\u00e9cialistes arrivaient \u00e0 remettre la main sur la page du rapport en cache sur le web, mais sans les illustrations, puis enfin, sur le PDF complet<\/a>. Voil\u00e0 enfin de quoi juger sur pi\u00e8ces ! Il existe m\u00eame un document compl\u00e9mentaire<\/a> avec encore plus de d\u00e9tails sur 58 pages, notamment sur l’ing\u00e9nierie du syst\u00e8me utilis\u00e9. Ces documents ont \u00e9t\u00e9 cr\u00e9\u00e9s par les \u00e9quipes de John Martinis chez Google, accompagn\u00e9es de celles de Caltech, Amherst, Urbana-Champaign et UCSB (USA),\u00a0 de la NASA, du laboratoire Oak Ridge du D\u00e9partement de l’Energie US et enfin du J\u00fclich Computer Center et de l’Universit\u00e9 d’Erlangen-Nurenberg (Allemagne),<\/p>\n

Au m\u00eame moment, vendredi 20 septembre, IBM annon\u00e7ait lancer dans le cloud en octobre un ordinateur quantique de 53 qubits. Voir IBM preps 53 qubits quantum computer for launch in October<\/a>, ExtremeTech, 20 septembre 2019. Comme c\u2019est aussi du supraconducteur transmon (un des trois types de qubits supraconducteurs, explication dans mon ebook), IBM et Google sont \u00e0 couteaux tir\u00e9s avec des technologies assez voisines, m\u00eame s\u2019il doit y avoir des diff\u00e9rences dans les d\u00e9tails. Est-ce que Google a man\u0153uvr\u00e9 pour gratter la politesse \u00e0 IBM ? Pas forc\u00e9ment, dans la mesure o\u00f9 la communication d\u2019IBM ne fait nullement allusion \u00e0 une quelconque supr\u00e9matie quantique. IBM est g\u00e9n\u00e9ralement bien moins exub\u00e9rant que Google dans sa communication sur le calcul quantique.<\/p>\n

\"NASA<\/a><\/p>\n

Le papier de 12 pages est \u00e0 l\u2019image des publications scientifiques sur le quantique : compl\u00e8tement incompr\u00e9hensible pour les humains non sp\u00e9cialistes du sujet. Ayant potass\u00e9 le quantique sous toutes les coutures depuis deux ans, j\u2019ai pu en saisir environ 70%, ce qui est d\u00e9j\u00e0 pas mal. Le jargon du papier est tellement h\u00e9t\u00e9roclite que cela me fait marrer. Je ris jaune car j\u2019ai d\u00fb compulser des paquets de documents pour comprendre \u00e0 quoi cela rimait, aussi bien sur la partie physique, \u00e9lectronique, informatique, cryog\u00e9nique qu\u2019algorithmique, et ce depuis 2 ans.<\/p>\n

Voici ce que j\u2019ai pu en tirer\u2026<\/p>\n

Le processeur quantique de 53 qubits de Google<\/strong><\/p>\n

Le processeur quantique de Google utilis\u00e9 dans l\u2019exp\u00e9rience est baptis\u00e9 Sycamore. Il comprend 53 qubits en technologie supraconducteur dite \u201ctransmon\u201d. <\/strong>Au d\u00e9part, il devait faire 54 qubits, mais l\u2019un d\u2019entre eux, au bord, ne fonctionnait pas et ils l\u2019ont d\u00e9sactiv\u00e9 ! Ca fait un peu bricolage\u2026 ! Les qubits sont dispos\u00e9s en treillis dans une architecture 2D tr\u00e8s classique pour ce genre de qubits. C’est ce qui explique qu’IBM ait aussi un chipset de 53 qubits (modulo celui qui plante).<\/p>\n

Les qubits sont reli\u00e9s \u00e0 quatre voisins via des coupleurs qui permettent de mettre en \u0153uvre la fameuse intrication. Le papier de Google\/NASA d\u00e9crit tr\u00e8s bien les m\u00e9canismes \u00e9lectroniques de contr\u00f4le des qubits, des portes et de la mesure de leur \u00e9tat. Ils ont notamment am\u00e9lior\u00e9 les coupleurs qui g\u00e8rent l’intrication entre qubits voisins en rempla\u00e7ant les habituelles inductances par des capacit\u00e9s. Cela leur a permis de cr\u00e9er des portes quantiques \u00e0 deux qubits tr\u00e8s rapides et g\u00e9n\u00e9rant peu de bruit.<\/p>\n

\"Maillage<\/a><\/p>\n

En mars 2018, Google avait annonc\u00e9 avoir r\u00e9alis\u00e9 un processeur bien plus puissant comprenant 72 qubits l\u2019ann\u00e9e derni\u00e8re, d\u00e9nomm\u00e9 Bristlecone. Mais depuis, peu d\u2019informations circulaient sur ce processeur. Google devait avoir probablement du mal \u00e0 le faire fonctionner avec un taux d\u2019erreurs acceptable. Le processeur Sycamore a l\u2019air de comprendre quelques avanc\u00e9es technologiques par rapport \u00e0 son comp\u00e8re de 72 qubits. Comme il a moins de qubits, il est cependant moins puissant. La technologie des qubits supraconducteurs domine les acteurs d\u2019aujourd\u2019hui avec Google, IBM et Rigetti (USA) mais ces diff\u00e9rents acteurs rencontrent d\u2019\u00e9normes difficult\u00e9s \u00e0 d\u00e9passer 50 qubits dits \u201cstables\u201d. Rigetti a annonc\u00e9 en ao\u00fbt 2018 mettre au point un processeur quantique supraconducteur \u00e0 128 qubits, qui serait donc des gazillions de fois plus puissant que le Sycamore de Google, mais on n\u2019a pas de nouvelles de sa part depuis un an.<\/p>\n

En gros, donc, Sycamore est une sorte de r\u00e9gression par rapport \u00e0 la puce Bristlecone de 72 qubits. Intel avait aussi annonc\u00e9 en 2018 avoir fabriqu\u00e9 1500 qubits en qubits CMOS, ce qui est \u00e9norme. Mais ils sont rest\u00e9s \u00e0 l’\u00e9tat de puce non fonctionnelle en l’\u00e9tat. Il faut donc toujours prendre avec des pincettes les annonces de fournisseurs et de laboratoires qui annoncent des processeurs \u00e0 N qubits. Tant qu\u2019ils ne sont pas test\u00e9s et benchmark\u00e9s avec des algorithmes pr\u00e9cis et avec une documentation comme celle de Google et de la NASA sur Sycamore, il faut rester prudent.<\/p>\n

Le fait que Google se limite \u00e0 53 qubits illustre les limites actuelles de la technologie des supraconducteurs. Google semble cependant avoir fait quelques progr\u00e8s, notamment pour multiplexer les signaux micro-ondes qui circulent entre l\u2019ext\u00e9rieur et l\u2019int\u00e9rieur de l\u2019ordinateur.<\/p>\n

D’autres bossent sur des technologies qui pourraient mieux scaler au-del\u00e0 de 50 qubits, comme IonQ (plus de 100 annonc\u00e9s, mais pas encore benchmark\u00e9s), les atomes froids, l’optique lin\u00e9aire et les qubits CMOS. Malgr\u00e9 le boucan g\u00e9n\u00e9r\u00e9 par Google et IBM, les autres technologies ont encore du mou sous la p\u00e9dale.<\/p>\n

Si l’Histoire se r\u00e9p\u00e8te, la technologie de Google et IBM pourrait m\u00eame ressembler aux m\u00e9moires \u00e0 tores magn\u00e9tiques des ann\u00e9es 50\/60 qui ont \u00e9t\u00e9 ensuite remplac\u00e9es par la RAM en silicium : une technologie interm\u00e9diaire avant celle qui d\u00e9coiffe vraiment.<\/p>\n

A quoi ressemble l\u2019ordinateur quantique de Google ? Aucune photo n\u2019a pour l\u2019instant circul\u00e9, mais il ressemble probablement au sch\u00e9ma maison suivant. Il comprend au minimum deux \u00e0 quatre racks de datacenters avec une partie qui est remplie d\u2019\u00e9lectronique avec des g\u00e9n\u00e9rateurs de micro-ondes (5 \u00e0 7 GHz pour Google), de multiplexeurs, de convertisseurs divers et d\u2019outils de mesure.<\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

Ces instruments sont reli\u00e9s au processeur qui est situ\u00e9 au bas d\u2019un truc qui ressemble \u00e0 un chandelier et qui pendouille en l\u2019air. Le processeur en soi est petit et tout plat, faisant quelques cm2 comme indiqu\u00e9 ci-dessous<\/em>.<\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

Dans le “chandelier” se situent des composants d’\u00e9lectronique de pilotage et de contr\u00f4le des qubits et notamment des pr\u00e9amplificateurs de contr\u00f4le et de lecture de leur \u00e9tat, le reste de l’amplification \u00e9tant r\u00e9alis\u00e9 \u00e0 temp\u00e9rature ambiante. Le sch\u00e9ma ci-dessus<\/em> explique cela.<\/p>\n

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Il est plac\u00e9 dans un cylindre qui est sous vide, isol\u00e9 magn\u00e9tiquement et refroidi \u00e0 tr\u00e8s basse temp\u00e9rature. Le refroidissement se fait par \u00e9tages, le plus haut \u00e9tant \u00e0 4K (-269\u00b0C) et le plus bas, au niveau du chipset de qubits, \u00e9tant \u00e0 15 mK. C\u2019est tr\u00e8s tr\u00e8s froid ! Il faut 24h pour mettre l\u2019int\u00e9rieur \u00e0 cette temp\u00e9rature et g\u00e9n\u00e9ralement des semaines de calibrage pour tout stabiliser. Google indique en fait que l’isolation magn\u00e9tique principale est faite au niveau du packaging du chipset, via des enveloppes en m\u00e9tal associant de l’aluminium et un blindage en alliage nickel-fer (mu-metal).<\/p>\n

Le syst\u00e8me de cryog\u00e9nie utilise un r\u00e9frig\u00e9rateur \u00e0 dilution qui fait circuler un m\u00e9lange d\u2019h\u00e9lium 3 et 4 liquide (3 et 4 sont des valeurs d\u2019isotopes de l\u2019h\u00e9lium). Tout ceci occupe une pi\u00e8ce qui fait en g\u00e9n\u00e9ral environ 20 \u00e0 40 m2<\/sup>. Ce qui est raisonnable par rapport aux 500m2 <\/sup>du supercalculateur IBM Summit qui a servi \u00e0 faire la comparaison avec Sycamore. L\u2019exemple ci-dessous<\/em> est issu d\u2019IBM.<\/p>\n

\"image\"<\/a><\/p>\n

Par comparaison, voici \u00e0 quoi ressemble le supercalculateur IBM Summit<\/strong> qui a servi \u00e0 faire la comparaison. La b\u00e9b\u00eate comprend plus de 35 000 processeurs dont les fameux GPU V100 de Nvidia. L\u2019ensemble consomme 12 MW, occupe 500 m2<\/sup> et p\u00e8se 349 tonnes, hors syst\u00e8me de climatisation. En comparaison un ordinateur quantique supraconducteur ne p\u00e8se qu\u2019\u00e0 peine une \u00e0 deux tonnes. Et encore, c\u2019est avant tout effort de miniaturisation et de packaging. L\u2019autre r\u00e9f\u00e9rence que l\u2019on a est D-Wave avec ses ordinateurs \u00e0 recuit quantique, une technique diff\u00e9rente, qui tient dans quelques m\u00e8tres cubes.<\/p>\n

\"IBM<\/a><\/p>\n

L\u2019algorithme utilis\u00e9 pour les tests<\/strong><\/p>\n

L\u00e0, cela devient plus compliqu\u00e9 pour moi. En gros, c\u2019est un algorithme qui associe un g\u00e9n\u00e9rateur quantique de nombres al\u00e9atoires et d\u2019un syst\u00e8me qui permet de v\u00e9rifier que les nombres g\u00e9n\u00e9r\u00e9s sont bien al\u00e9atoires, avec donc une r\u00e9partition homog\u00e8ne. Cette derni\u00e8re partie scanne toutes les valeurs possibles (253<\/sup>) de superposition des qubits.<\/p>\n

On peut en trouver l\u2019explication suivante dans Quantum Supremacy Is Coming: Here\u2019s What You Should Know<\/a> de Kevin Harnett dans QuantaMagazine , juillet 2019 (donc, avant l\u2019information sur Google).<\/p>\n

\u201cA simple example of a random sampling problem is a program that simulates the roll of a fair die. Such a program runs correctly when it properly samples from the possible outcomes, producing each of the six numbers on the die one-sixth of the time as you run the program repeatedly. <\/em><\/p>\n

In place of a die, this candidate problem for quantum supremacy asks a computer to correctly sample from the possible outputs of a random quantum circuit, which is like a series of actions that can be performed on a set of quantum bits, or qubits. Let\u2019s consider a circuit that acts on 50 qubits. As the qubits go through the circuit, the states of the qubits become intertwined, or entangled, in what\u2019s called a quantum superposition. As a result, at the end of the circuit, the 50 qubits are in a superposition of 250<\/sup> possible states. If you measure the qubits, the sea of 250<\/sup> possibilities collapses into a single string of 50 bits. This is like rolling a die, except instead of six possibilities you have 250<\/sup>, or 1 quadrillion, and not all of the possibilities are equally likely to occur. <\/em><\/p>\n

Quantum computers, which can exploit purely quantum features such as superpositions and entanglement, should be able to efficiently produce a series of samples from this random circuit that follow the correct distribution. For classical computers, however, there\u2019s no known fast algorithm for generating these samples \u2014 so as the range of possible samples increases, classical computers quickly get overwhelmed by the task<\/em>\u201d.<\/p>\n

Le domaine d\u2019application de cet algorithme serait de permettre de g\u00e9n\u00e9rer des nombres al\u00e9atoires certifi\u00e9s. Sachant que cela existe d\u00e9j\u00e0 pour moins cher avec les g\u00e9n\u00e9rateurs de nombres al\u00e9atoires quantiques, comme ceux du Suisse IDQ. Mais l\u2019algorithme test\u00e9 aurait bien d\u2019autres usages pratiques.<\/p>\n

Cet algorithme pr\u00e9sente plusieurs caract\u00e9ristiques qui expliquent son choix :<\/p>\n