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Honeywell placera des ordinateurs quantiques sur les ions capturés dans le nuage quantique de Microsoft

Depuis de nombreuses années, les scientifiques développent différents systèmes sur lesquels des algorithmes quantiques pourraient être exécutés. La plupart d'entre eux ont un ou deux avantages - la facilité de manipulation ou la capacité de maintenir leur état plus longtemps que les autres - mais aucune autre qualité positive ne les empêche de devenir des solutions pratiques pour l'informatique. Cependant, au cours des dernières années, certaines entreprises ont découvert comment manipuler un nombre important de qubits à semi-conducteurs - les soi-disant transmons . Étant donné que la technologie de production de transmons est similaire à la production de puces conventionnelles, de nombreux acteurs du marché émergent - dont Google, IBM et Rigetti - se sont installés sur les transmons.

Cependant, les transmons ne sont pas parfaits. Ils nécessitent des températures extrêmement basses, une faible variabilité d'un appareil à l'autre, et ils tiennent bien leur état, mais pas parfaitement. De nombreux experts dans ce domaine pensent qu'une autre technologie a encore une chance de dépasser les transmons.

Et maintenant, une entreprise nouvelle sur le marché de l'informatique quantique mise également sur ce point. Honeywell, une entreprise mieux connue en tant que fournisseur du ministère de la Défense, a annoncé la création d'un ordinateur quantique basé sur une technologie alternative de "pièges à ions" et, cette année, donnera accès à ses ordinateurs via le service cloud Microsoft Azure. La société affirme également que, selon certaines estimations, il s'agit de l'ordinateur quantique le plus puissant créé à ce jour, cependant, cette déclaration doit être prise très attentivement.

Piégé

Les qubits de transition fonctionnent lorsque le courant circule dans une boucle d'un fil supraconducteur connecté à un résonateur, ce qui permet de contrôler et de lire l'état actuel. Cependant, comme le fil supraconducteur et le résonateur doivent être fabriqués en production, cela peut entraîner l'apparition de petites différences entre les qubits individuels. De plus, tout ce fer doit être maintenu à une température extrêmement basse, légèrement au-dessus du zéro absolu, afin de maintenir ces objets relativement gros dans leur état quantique principal.

Les ions capturés permettent de contourner certains de ces problèmes. Le qubit lui-même est formé d'un petit nombre d'atomes - dans le cas de Honeywell, de deux. Le président des solutions quantiques de Honeywell, Tony Attley, souligne que ce fait élimine les problèmes de production, car chaque appareil a les mêmes propriétés que l'atome utilisé (dans ce cas, l'ytterbium). "Chaque qubit commence par un idéal", nous a expliqué Attley. "Toute erreur commise provient de l'infrastructure environnante."

Grâce à l’expérience de Honeywell dans la fabrication et l’intégration de cette infrastructure, les ingénieurs de l’entreprise sont idéalement placés pour minimiser ce bruit. De plus, ces petits groupes d'atomes peuvent être refroidis à l'aide de lasers. Bien que la température ambiante doive être maintenue très basse, elle n'a pas à atteindre les températures extrêmes nécessaires au transmon.

Dans le cas de Honeywell, les atomes d'ytterbium n'étaient pas si faciles à refroidir avec des lasers, alors la société a ajouté quelques atomes de baryum au système et les a refroidis avec un laser. Un groupe de quatre ions est facile à refroidir et à contrôler, et il suffit de maintenir l'environnement à une température de 12 K.Bien que l'hélium liquide soit nécessaire pour cela, il ne nécessite pas l'équipement de refroidissement de liquéfaction sophistiqué requis pour le fer de Google et IBM.

Comme les ions sont chargés, ils peuvent être déplacés à l'intérieur de l'appareil en changeant simplement les champs électriques locaux à l'aide de 200 électrodes intégrées dans l'appareil. L'état des électrons dans les ions peut être contrôlé à l'aide de lasers d'une certaine longueur d'onde, capables de placer des électrons en superposition avec des états d'énergie potentiels. L'intrication et diverses opérations logiques peuvent être effectuées simplement en rapprochant deux ions l'un de l'autre et en utilisant des lasers fonctionnant avec les deux simultanément. La lecture est effectuée par stimulation d'ions par un autre laser, forçant les ions à émettre un photon, à partir duquel il est possible de juger de leur état.

Appareil Honeywell

Un appareil Honeywell peut être considéré comme une ligne d'appareils individuels. Les ions proviennent d'une extrémité, qui se déplacent ensuite le long de sections successives, où ils peuvent être retardés pour le stockage ou irradiés avec des lasers qui manipulent les qubits. Les opérations logiques (l'équivalent quantique de AND et NOT) peuvent être effectuées simplement en plaçant deux ions côte à côte et en effectuant une opération simultanément sur eux. De plus, des grappes de quatre ions (deux ytterbium, deux baryum) peuvent être divisées en deux parties, ou deux grappes de deux ions peuvent être combinées.

L'appareil dont Honeywell parle aujourd'hui aligne quatre qubits sur la même ligne de ces étapes de stockage et de manipulation. Cependant, le diagramme de l'appareil montre également deux lignes supplémentaires des étapes de stockage et de manipulation, allant des deux côtés de la ligne utilisée dans les expériences initiales. Cela correspond à ce qu'Attley a déclaré: Honeywell pense que l'appareil peut être mis à l'échelle rapidement et que des qubits supplémentaires peuvent être ajoutés chaque année sans modifier l'architecture à un niveau fondamental. Ainsi, bien que quatre qubits ne suffisent pas par rapport à ce qui a été obtenu sur les appareils à transmons, la société estime qu'elle peut rapidement combler cette lacune.

De nombreux lasers sont nécessaires pour contrôler l'état des qubits

L'un des aspects intéressants d'un tel schéma, qui, selon Attley, fait défaut dans d'autres systèmes commerciaux existants, est la capacité de mesurer les qubits individuellement, sans perturber aucune autre partie du système. (Techniquement, cela est réalisé en utilisant l'opération avec le nom fantastique CNOT - ventilateur de téléportation quantique). Il permet à l'ordinateur d'effectuer l'équivalent de la ramification IF, en changeant l'algorithme en fonction des résultats de la mesure d'un seul qubit. Après la mesure, le qubit peut également être restauré à son état d'origine et réutilisé pour d'autres calculs.

Les composants individuels du système se comportent parfaitement. Un problème potentiel est «la préparation des états et les erreurs de mesure», qui a été abrégé en SPAM [erreurs de préparation des états et de mesure]. Dans ce cas, les chercheurs de Honeywell ont découvert que le SPAM est dominé par des erreurs de mesure, mais elles se produisent dans moins de 1% des cas. Pour les portes à un seul qubit, les erreurs se produisent un ordre de grandeur moins souvent, pour les portes à deux qubits, à un niveau similaire. Et tout cela est bien inférieur aux indicateurs typiques du transmon.

À propos de cet indicateur de performance

Honeywell présente ceci comme «l'ordinateur quantique le plus puissant au monde», cependant, l'exactitude de la déclaration dépend fortement des schémas de mesure de vitesse utilisés. Honeywell utilise une mesure définie par IBM et l'a appelée «volume quantique». Nous citerons une partie de l'analyse du volume quantique faite par Chris Lee, car il décrit bien sa connexion avec l'ordinateur d'Honeywell:

comme les portes quantiques peuvent toujours donner une erreur, il y a un nombre maximum d'opérations qui peuvent être effectuées avant qu'il ne soit déraisonnable de considérer que l'état qubit est vrai. Ce montant, multiplié par le nombre de qubits, nous donne la profondeur du circuit. S'il est utilisé honnêtement, il décrit assez précisément les capacités d'un ordinateur quantique.

Le problème avec la profondeur est qu'il est possible de maintenir le nombre total de qubits constant (et petit), réduisant le pourcentage d'erreurs à de très petites valeurs. En conséquence, vous obtenez une profondeur énorme, mais en même temps, il s'avère que vous ne effectuez que des calculs qui correspondent au nombre de qubits que vous avez. Un ordinateur quantique à deux qubits de grande profondeur sera toujours inutile.

Il s'avère que le but de l'évaluation est d'exprimer les capacités de calcul de l'indicateur, qui comprend le nombre de qubits et la profondeur du circuit. Pour un volume spécifique de l'algorithme et du problème, ce sera le nombre minimum de qubits nécessaires pour les calculs. Et selon la connexion des qubits entre eux, pour la mise en œuvre de l'algorithme, un certain nombre d'opérations seront nécessaires. Les chercheurs expriment ce nombre en comparant le nombre maximum de qubits impliqués dans les calculs avec la profondeur du circuit, et en quadrillant le minimum de ces deux indicateurs. Ainsi, le volume quantique maximal possible sera simplement le nombre de qubits au carré.

Comme indiqué ci-dessus, Honeywell signale un taux d'erreur extrêmement faible, ce qui signifie que chaque calcul exécuté sur quatre qubits de son ordinateur ne contiendra probablement pas d'erreurs. Et puisque les ions peuvent être déplacés à l'intérieur de l'appareil à volonté, ils peuvent être connectés arbitrairement les uns aux autres. Il s'avère que le volume quantique est égal au nombre de qubits au carré. Cela diffère des performances des équipements utilisés par Google et IBM, où 10 fois plus de qubits, mais beaucoup plus d'erreurs, et les qubits ne peuvent être connectés qu'avec un petit nombre de voisins.

Par conséquent, pour qu'une machine de Honeywell rattrape les machines de ses rivales en termes de volume quantique, elle n'a pas besoin d'ajouter trop de qubits supplémentaires. La structure de la machine qu'elle décrit aujourd'hui vous permet définitivement d'y ajouter des qubits. En conséquence, la société revendique un volume quantique de 64, ce qui signifie huit qubits, et il y a tout lieu de le croire.

Cependant, si IBM a déjà introduit un ordinateur contenant près de 64 qubits réels et que Google devrait bientôt emboîter le pas, la météo ne fera-t-elle que huit qubits? La réponse, comme d'habitude, est ambiguë. Certains algorithmes dépendront fortement de la connectivité des qubits. Et bien qu'ils puissent être lancés sur des machines plus grandes avec moins de connectivité, cela nécessitera qu'un plus grand nombre de qubits servent de liens de connexion, organisant une connectivité équivalente, et chacun d'eux est potentiellement capable d'introduire une erreur dans les calculs. La connectivité élevée de la machine Honeywell peut compenser le besoin d'opérations supplémentaires, et les opérations ne sont toujours pas la principale source d'erreurs. Gros plan sur le piège à ions; diverses zones de stockage et de manipulation des qubits sont visibles

Et il y a aussi le problème de la mise à l'échelle. Attley a déclaré que la société devrait être en mesure d'augmenter son volume quantique d'un ordre de grandeur chaque année au cours des cinq prochaines années, ce qui nécessiterait l'ajout de 3 à 4 qubits par an. Cela signifie que même après cinq ans, l'ordinateur aura environ 30 qubits - la moitié des performances actuelles des concurrents. Pendant ce temps, Google et IBM travaillent à réduire les erreurs et à ajouter quelques dizaines de qubits à leurs machines toutes les quelques années.

Si les projets de toutes les entreprises se réalisent, dans quelques années, la situation deviendra très intéressante. Honeywell aura un avantage significatif en volume quantique, et ses concurrents avec du fer sur les transmons auront un ordre de grandeur plus de qubits. Pendant ce temps, les équipes utilisant des transmons ont l'intention de créer des ordinateurs quantiques avec correction d'erreurs, ce qui nécessitera des milliers de qubits - ce qui signifie que les chercheurs s'attendent à un certain point à apprendre à ajouter des centaines de qubits à chaque nouvelle génération de puces.

Comme il n'est pas clair quand, selon les entreprises, une telle croissance des qubits devrait commencer, on ne sait pas comment la sortie de Honeywell peut changer le paysage concurrentiel.

Qu'aurons-nous jusqu'à présent

Honeywell, une entreprise dont les divisions font tout, des articles de sport aux contrats avec l'armée, est définitivement un concurrent inhabituel sur un marché dominé par un mélange de startups et de sociétés informatiques traditionnelles. Cependant, la société a raconté une histoire cohérente de son entrée sur le marché: dans le cadre de ses travaux de fabrication, Honeywell a développé de nombreux composants informatiques sur des pièges à ions - tels que la photonique, la cryogénie, les systèmes à vide - à d'autres fins. Et un groupe de scientifiques de l'entreprise a déclaré que le potentiel de ce domaine était suffisamment important pour mériter d'être développé. Et comme Honeywell est une grande entreprise, elle a pu recruter un groupe de personnes assez fortes et passionnées par le développement de ce projet.

Comme d'autres entreprises dans ce domaine, Honeywell a déterminé que la plupart des entreprises ne souhaitaient pas créer leur propre infrastructure dans laquelle leur système de refroidissement à l'hélium liquide pourrait fonctionner. Par conséquent, Honeywell va donner accès à ses ordinateurs quantiques via le cloud. Elle a également convenu avec Microsoft pour que le système soit accessible via son service Azure.

Pour écrire les programmes utilisés dans les travaux en cours, les chercheurs de Honeywell ont adapté Qiskitd'IBM, un outil open source qui vous permet de décrire des algorithmes quantiques sous une forme qui n'est pas liée à un matériel spécifique, puis d'émettre de vraies commandes pour exécuter le programme sur un matériel spécifique (quelque chose comme un compilateur multiplateforme). L'entreprise espère ainsi profiter des solutions expertes existantes. Cela peut également signifier que les entreprises seront en mesure de développer un ensemble d'algorithmes quantiques, puis de les exécuter sur tous les systèmes possédant les propriétés dont ils ont besoin - une connectivité élevée ou un grand nombre de qubits - pour atteindre les performances nécessaires.

Amis et concurrents

Peut-être en raison de l'introduction d'une architecture complètement nouvelle, la société a combiné l'annonce de sa technologie avec deux contributions à des sociétés développant déjà des algorithmes quantiques. Elle a également annoncé que le géant financier JPMorgan Chase travaillerait avec Honeywell pour explorer les possibilités d'utiliser son système pour développer des algorithmes financiers. Cela ne signifie pas que le système est complètement prêt à l'emploi; Nous avons déjà parlé avec des gens de JPMorgan Chase, et ils ont dit qu'ils essayaient de garantir que l'entreprise était entièrement prête pour des ordinateurs quantiques pratiques.

Tout cela témoigne du fait que Honeywell prend ses développements au sérieux et espère devenir l'un des principaux rivaux dans le domaine de l'informatique quantique. Et si ses prédictions pour l'avenir se réalisent, il en sera probablement ainsi.

L'observateur peut être tenté de comparer la situation avec la rivalité des architectures informatiques traditionnelles, où x86 et ARM se battent activement aujourd'hui. Cependant, ces différentes architectures sont réalisées en utilisant les mêmes méthodes et fonctionnent avec les mêmes composants. Dans le cas décrit, deux architectures concurrentes sont basées sur des systèmes physiquement complètement différents, dans lesquels seules certaines règles de travail coïncident. Il s'agit d'un ensemble de conditions complètement différent et beaucoup plus intéressant.