Multiplier les unités de calcul ne suffit pas lorsque chaque résultat exige des millions, voire des milliards d’exécutions. Le prochain saut du géant américain reposera donc autant sur la cadence et la qualité des opérations que sur l’assemblage de plusieurs puces.
IBM (NYSE : IBM) présente Quantum Nighthawk r3, un processeur conçu pour exécuter avec précision 10 000 opérations quantiques sur 520 qubits programmables, tout en conservant la vitesse et la qualité de la génération actuellement disponible. Le groupe prévoit d’en relier deux en 2027 pour constituer un système de 1 040 qubits.
Nighthawk r3 mise sur une architecture modulaire
La distinction entre les différents décomptes est importante : chaque processeur r3 comportera 2 034 qubits physiques au total, dont 520 programmables. Il conservera la connectivité en réseau carré et les opérations rapides de Nighthawk r2, mais intégrera aussi 10 interconnexions entre puces, baptisées l-couplers, pour assembler des systèmes plus grands.
IBM a déjà testé cette approche cette année en reliant des processeurs Nighthawk r1 avec quatre l-couplers. L’entreprise rapporte une fidélité de transfert d’état quantique de 99,3 %, pour un objectif de 99,9 %. Ce résultat constitue une étape vers l’interconnexion prévue, et non une mesure des performances du futur système r3 complet.
Le chantier concerne également le refroidissement. IBM a, pour la première fois, connecté deux modules cryogéniques dans un même système : l’ensemble a atteint sa température de fonctionnement en moins de cinq jours, avec un refroidissement sous les 15 millikelvins. Ces deux démonstrations étayent sa feuille de route modulaire jusqu’au système à deux processeurs attendu en 2027.
Pour Jay Gambetta, directeur d’IBM Research et IBM Fellow, l’utilité du calcul quantique dépend conjointement de la précision des résultats et de leur vitesse d’obtention. Il inscrit l’extension de cette architecture dans une progression vers la tolérance aux fautes, avec une intégration plus étroite aux ressources classiques.
La génération r2 sert de référence pour les débits
Introduit en septembre, Nighthawk r2 atteint jusqu’à 100 000 échantillons par seconde et permet des calculs précis comprenant plus de 7 500 opérations quantiques sur 120 qubits. Sa remise à zéro rapide des qubits réduit le délai entre deux exécutions d’un circuit.
Ce délai pèse lourd dans les applications visées : chaque exécution d’un circuit fournit un résultat, ou échantillon. Les charges de travail demandent de plus en plus souvent des milliers d’opérations sur une centaine de qubits ou davantage, puis la collecte de millions à milliards d’échantillons. La vitesse détermine donc la durée et le coût pratique du calcul, au-delà de sa seule complexité.
Les clients et partenaires, dont E.ON, Algorithmiq et Q-CTRL, ont exécuté à ce jour 34 milliards de circuits sur r2. Ils rapportent des gains de performances allant jusqu’à un facteur 19, tout en conservant la qualité nécessaire aux calculs scientifiques. Quantum Elements et ParityQC font également état d’améliorations importantes sur leurs propres charges de travail.
Dans le détail, E.ON annonce une accélération d’un facteur 15 pour de l’apprentissage automatique quantique appliqué à l’optimisation des réseaux électriques. IBM rapporte de son côté un facteur 12 en reprenant sur r2 une expérience menée plus tôt cette année avec Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Celle-ci simulait des matériaux magnétiques réels et produisait des résultats cohérents avec des expériences de diffusion de neutrons.
Ces deux accélérations sont mesurées par rapport aux travaux antérieurs sur IBM Quantum Heron, et non par rapport à une machine classique. Les expériences d’avantage quantique publiées en juillet par IBM et ses partenaires avaient elles aussi été exécutées initialement sur Heron. Leurs circuits et résultats sont accessibles pour des tests indépendants via le Quantum Advantage Tracker, une initiative communautaire.
L’expérience menée avec Algorithmiq sur la simulation d’un matériau quantique hétérogène a depuis été étendue à Nighthawk r2. Sa vitesse et sa connectivité permettent d’exécuter les circuits huit fois plus vite que lors de l’expérience initiale sur Heron. Les nouveaux circuits sont aussi plus difficiles à simuler classiquement : IBM estime qu’ils demanderaient 240 fois plus de mémoire pour une précision comparable avec les principales méthodes classiques à réseaux de tenseurs.
Le calcul classique prend une place croissante
La montée en charge impose aussi davantage de ressources classiques pour la correction et l’atténuation des erreurs, l’apprentissage du bruit et le post-traitement. IBM Quantum Platform réunit désormais calcul quantique et calcul haute performance (HPC) dans un environnement géré commun. Les utilisateurs peuvent intégrer leurs traitements quantiques aux ressources de leur ordinateur portable, d’un supercalculateur ou aux capacités classiques et HPC nouvellement disponibles sur la plateforme.
IBM et les scientifiques de RIKEN y ont repris leur procédure de diagonalisation quantique fondée sur l’échantillonnage, ou SQD : elle s’exécute environ cinq fois plus vite, tout en réalisant 100 fois plus de calculs que dans l’étude originale. Cleveland Clinic et RIKEN ont également automatisé le traitement de 608 millions d’échantillons pour modéliser des structures d’intérêt biologique, avec une vitesse multipliée par 33 par rapport à une exécution sans automatisation du workflow.
La plateforme offre aussi un contrôle au niveau des impulsions pour les recherches sur la correction d’erreurs. Les chercheurs peuvent ajuster plus précisément le séquencement des opérations, accélérer la remise à zéro des qubits et extraire davantage d’informations des mesures quantiques, afin de mieux détecter, comprendre et corriger les erreurs au sein des architectures quantiques et classiques.
IBM a par ailleurs lancé récemment, avec ORNL et AMD, une plateforme de co-conception dédiée à la correction d’erreurs quantiques. Elle réunit physiquement Nighthawk et le système HPC Umbra d’ORNL, équipé de GPU AMD Instinct MI355X et de processeurs AMD EPYC de 5e génération.
Le passage à 1 040 qubits dépendra ainsi de deux intégrations : entre processeurs quantiques, mais aussi avec les machines classiques qui exploitent leurs mesures et traitent leurs erreurs. Les gains publiés sur r2 donnent une référence de débit ; il restera à préserver cette cadence et cette qualité une fois les interconnexions et la gestion de deux modules ajoutées au système.
Source : IBM
