Technologie IBM Quantum

La flotte d'ordinateurs quantiques IBM®, tous dotés d'au moins 127 qubits, est la plus grande au monde. Ces ordinateurs quantiques utilisent des qubits transmon supraconducteurs, qui ne sont pas le seul type de qubit, mais qui présentent de nombreux avantages. En combinant nos ordinateurs quantiques de classe mondiale avec Qiskit, nous permettons à nos utilisateurs d'explorer comment le calcul quantique peut être utile dans le monde d'aujourd'hui. Les partenaires industriels et les chercheurs utilisent la technologie IBM Quantum® pour explorer des calculs significatifs et des applications réalistes. Explorons l'étendue des programmes et des services qu'IBM Quantum offre à ses partenaires.

Si tu fais partie d'une institution membre du réseau IBM Quantum, assure-toi de contacter le groupe de calcul quantique de ton institution pour déterminer à quels avantages tu as accès.

Objectifs d'apprentissage

À la fin de ce module, tu devrais être en mesure de :

• Reconnaître que la résolution de problèmes significatifs impliquera une combinaison de ressources quantiques et classiques.

• Identifier le matériel, les logiciels et les services disponibles pour résoudre des problèmes significatifs.

• Décris comment la performance du calcul quantique est mesurée à l'aide des métriques d'échelle, de qualité et de vitesse. Reconnais les métriques de benchmark de soutien couramment utilisées dans l'industrie.

IBM Quantum Platform

IBM Quantum Platform fournit une suite d'outils de calcul quantique qui regroupe toutes les ressources de recherche et de développement dont les utilisateurs ont besoin pour accomplir de grandes choses, en un seul endroit. Les utilisateurs peuvent créer un compte et se connecter pour accéder aux ordinateurs quantiques IBM, voir les détails des ordinateurs, suivre les charges de travail et accéder au matériel pédagogique dans la Documentation et l'Apprentissage.

• La page d'accueil sert de point de départ principal pour l'écosystème produit, où les utilisateurs peuvent obtenir leurs clés API, consulter un résumé de leurs instances et informations d'utilisation, voir les détails des tâches récentes et accéder à des liens utiles vers d'autres endroits de la plateforme.

• La Documentation regroupe la documentation Qiskit, la documentation du service et les informations de référence API en un seul endroit, organisé de manière à soutenir les flux de travail naturels des utilisateurs.

• L'Apprentissage regroupe les ressources pédagogiques, notamment les cours et les modules d'enseignement, ainsi que le circuit Composer interactif (à venir). Cet éditeur, à la fois graphique et en code, permet aux utilisateurs de prototyper, simuler et déboguer des circuits visuellement, puis de les exécuter sur les ordinateurs quantiques IBM.

IBM Quantum Compute Service (anciennement le Qiskit Runtime Service)

IBM Quantum Compute Service est une architecture portative, sécurisée et conteneurisée qui exécute des programmes quantiques sur une unité informatique classique étroitement intégrée au processeur quantique. Quantum Compute permet à l'ordinateur quantique de faire partie de tout environnement informatique pour accélérer le calcul — similaire à une unité de traitement graphique (GPU) — et gère l'orchestration des tâches et le transfert de données vers l'unité de traitement quantique, maximisant l'efficacité.

Qiskit et Quantum Compute facilitent l'orchestration rapide de programmes sur les ressources de calcul dans le cloud. IBM construit des intergiciels pour le quantique afin de maximiser les performances des applications quantiques s'exécutant sur des ressources de calcul quantiques et classiques parallélisées et basées sur le cloud. Ces intergiciels incluent la boîte à outils de circuit knitting et notre architecture quantique serverless.

L'addon Qiskit de découpe de circuits permet aux développeurs de découper de grands circuits en circuits plus petits adaptés aux ordinateurs quantiques actuels. Le « circuit knitting » (tricotage de circuits) utilise le calcul classique pour prendre en charge une partie de la charge computationnelle d'un circuit quantique pour dépasser ce qu'on peut réaliser avec l'un ou l'autre seul. Des outils supplémentaires aident à reconstruire les circuits avec des ressources classiques et à assembler les résultats finaux.

Quantum Serverless est une boîte à outils d'orchestration multi-cloud pour connecter des ressources classiques élastiques avec IBM Quantum Compute Service. Quantum Serverless permet aux développeurs de se concentrer sur le code, plutôt que sur l'approvisionnement des ressources.

Ordinateurs quantiques supraconducteurs IBM

Les processeurs quantiques IBM utilisent un type physique de qubit appelé qubit transmon supraconducteur, fabriqué à partir de matériaux supraconducteurs modelés sur un substrat de silicium. D'autres processeurs quantiques pourraient utiliser des qubits photoniques, fabriqués à partir de photons individuels de lumière, ou des qubits à ions piégés, qui stockent des informations dans des particules atomiques chargées. Pour faciliter le flux du courant électrique, les qubits supraconducteurs doivent être maintenus à des températures extrêmement basses — proches du zéro absolu.

Processeur IBM à 127 qubits

Performances du calcul quantique

Mesure des performances du calcul quantique

Un ordinateur quantique universel tolérant aux fautes reste l'un des grands défis de l'informatique moderne. Les ordinateurs quantiques actuels ne sont pas encore pleinement tolérants aux fautes, donc comprendre leur performance nécessite de prendre en compte plusieurs facteurs au-delà du simple nombre de qubits.

IBM Quantum caractérise la performance du calcul quantique à l'aide de trois dimensions fondamentales :

• Échelle : mesurée par les qubits programmables, les qubits que les utilisateurs peuvent directement contrôler et intégrer dans des algorithmes quantiques.

• Qualité : mesurée par les opérations sur les qubits (QuOps), qui indiquent combien des opérations les plus exigeantes en calcul un ordinateur quantique peut exécuter de manière fiable avant que les erreurs ne submergent le calcul.

• Vitesse mesurée par le nombre maximal de circuits par seconde, qui décrit le débit de circuits d'un système et la quantité de calcul utile qu'il peut effectuer au fil du temps.

Ensemble, ces métriques fournissent une vue d'ensemble de la capacité de calcul, de l'évolutivité et de l'efficacité d'un ordinateur quantique à travers les technologies matérielles et les approches d'implémentation.

En plus de ces métriques principales, un certain nombre de métriques de benchmark de soutien sont largement utilisées dans l'industrie :

Vérifie ta compréhension

Vrai ou faux : la puissance d'un ordinateur quantique est déterminée par le nombre de qubits qu'il possède.

Réponse

Faux. Si un ordinateur quantique possède de nombreux qubits, mais un faible débit de circuits et une mauvaise qualité, alors l'information stockée sur n'importe quel nombre de qubits se dégradera avant que des résultats utiles puissent être obtenus. La puissance d'un ordinateur quantique dépend de l'échelle, de la qualité et de la vitesse.

Quelles sont les prochaines étapes du calcul quantique

Les ordinateurs quantiques d'aujourd'hui, et ceux attendus dans un avenir prévisible, sont bruités. Cela signifie qu'ils sont sensibles aux perturbations environnementales qui peuvent affecter la fidélité des résultats. De la même façon que l'informatique classique a évolué grâce à la mise à l'échelle modulaire des processeurs, à l'efficacité computationnelle et à la parallélisation, nous voyons le calcul quantique évoluer pour réaliser son plein potentiel. Alors que nous travaillons vers des ordinateurs quantiques entièrement tolérants aux fautes, nous voulons résoudre des problèmes utiles avec le matériel et les logiciels que nous possédons aujourd'hui.

Utilité quantique

IBM Quantum et l'Université de Californie, Berkeley ont présenté des preuves que les ordinateurs quantiques peuvent apporter de la valeur plus tôt que prévu grâce aux avancées dans le matériel IBM Quantum et les méthodes d'atténuation des erreurs. Au-delà d'une simple preuve de concept, nous avons livré des résultats suffisamment précis pour être utiles. Le modèle de calcul que nous avons exploré avec ce travail est un aspect central de nombreux algorithmes conçus pour les ordinateurs quantiques à court terme.

La boucle de rétroaction entre le quantique et le classique est essentielle pour faire avancer les technologies quantiques. En se concentrant sur l'utilité quantique, on utilise le quantique pour sonder des problèmes complexes qui défient les frameworks de calcul haute performance existants, puis on vérifie les résultats classiquement. Ce va-et-vient continu entre l'exécution d'un circuit complexe par le quantique et la vérification des résultats quantiques par les ordinateurs classiques améliorera les deux domaines computationnels et donnera aux utilisateurs confiance dans les capacités des ordinateurs quantiques à court terme.

Lecture facultative — déplie pour en savoir plus sur l'expérience

• Dans cette expérience, nous avons utilisé les 127 qubits de notre processeur IBM Quantum Eagle pour simuler le comportement changeant d'un système qui se mappe naturellement à un ordinateur quantique, appelé le modèle d'Ising quantique. Les modèles d'Ising sont des simplifications de la nature qui représentent des atomes en interaction comme un réseau de systèmes quantiques à deux choix en interaction dans un champ d'énergie. Ces systèmes ressemblent beaucoup aux qubits à deux états qui composent nos ordinateurs quantiques, ce qui en fait un bon candidat pour tester les capacités de nos méthodes. Nous avons utilisé ZNE pour essayer de calculer avec précision une propriété du système appelée sa valeur d'espérance — essentiellement une moyenne pondérée des résultats possibles du circuit.

• Simultanément, l'équipe de Berkeley a tenté de simuler le même système en utilisant des méthodes de réseau tensoriel avec l'aide de supercalculateurs avancés situés au National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) du Lawrence Berkeley National Lab et à l'Université Purdue.

• Les méthodes quantiques ont continué à s'accorder avec les méthodes exactes. Mais finalement, les méthodes d'approximation classiques ont commencé à faillir à mesure que la difficulté augmentait.

• Finalement, nous avons demandé aux deux ordinateurs d'effectuer des calculs au-delà de ce qui pouvait être calculé exactement — et l'ordinateur quantique a renvoyé une réponse dont nous étions plus confiants qu'elle soit correcte. Et même si nous ne pouvons pas prouver si cette réponse était réellement correcte, le succès d'Eagle sur les exécutions précédentes de l'expérience nous a donné confiance qu'elles l'étaient.

Correction d'erreurs

La correction d'erreurs est un domaine de recherche clé depuis des décennies. Mais pendant la majeure partie de ce temps, les techniques théoriques de correction d'erreurs ont été impraticables à implémenter sur de vrais ordinateurs quantiques, principalement en raison du très grand nombre de qubits nécessaires. En effet, de nombreux experts prédisent que le calcul quantique tolérant aux fautes pratique (FTQC) nécessitera des millions de qubits physiques. Mais dans un récent article publié en couverture de Nature, des chercheurs d'IBM ont introduit un nouveau code, que nous appelons le code Gross, qui surmonte cette limitation.

L'article High-threshold and low-overhead fault-tolerant quantum memory décrit le nouveau code de correction d'erreurs quantiques qui est environ 10 fois plus efficace que les méthodes précédentes pour protéger les données quantiques délicates de l'accumulation d'erreurs. Pour apprécier à quel point on est maintenant plus proche du début de la correction d'erreurs, considère qu'en utilisant le code Gross, tu peux protéger 12 qubits logiques pendant environ un million de cycles de vérifications d'erreurs en utilisant 288 qubits.

On ne s'attend pas à ce que la correction d'erreurs remplace soudainement l'atténuation et la suppression d'erreurs. Au contraire, au cours des prochaines années, l'atténuation et la suppression d'erreurs continueront à jouer un rôle central, aux côtés d'un nombre croissant de qubits corrigés en erreurs.

Feuille de route de développement IBM Quantum

Nous sommes maintenant fermement dans l'ère de l'utilité quantique. Cela signifie que les ordinateurs quantiques sont meilleurs en calcul quantique que les ordinateurs classiques, et peuvent être mis à profit par nos utilisateurs pour découvrir de nouveaux algorithmes et rechercher des avantages quantiques. Notre feuille de route décrit nos jalons historiques et nos plans pour atteindre un avantage quantique à court terme d'ici 2026.

D'ici 2029, nous livrerons Starling — un grand ordinateur quantique tolérant aux fautes capable d'exécuter des circuits quantiques comprenant 100 millions de portes quantiques sur 200 qubits logiques. Nous construisons ce système en ce moment même dans notre installation historique à Poughkeepsie, New York. Apprends-en plus sur notre progression dans le PDF de la feuille de route guidée.

En savoir plus sur la feuille de route de développement IBM Quantum ici.

Le défi 5k

IBM travaille avec la communauté de recherche quantique pour trouver des cas d'usage potentiels qui pourraient bénéficier du calcul quantique. Nous fournissons des outils de plus en plus puissants pour que les utilisateurs puissent explorer des problèmes urgents avec le quantique. En 2024, nous avons sorti un outil capable de calculer des observables non biaisées de circuits longs et de haute qualité. Trouver ce qui peut être fait avec cette combinaison de 100+ qubits et de circuits profonds s'appelait autrefois le « défi 100x100 ». Mais le nombre précis de qubits et la profondeur de chacun importent moins que l'exploitation de la puissance de la combinaison. Imagine ce qui est possible avec 5 000 portes quantiques dans un seul calcul. Les utilisateurs peuvent exécuter des circuits quantiques avec une complexité et un temps d'exécution au-delà des capacités des meilleurs ordinateurs classiques d'aujourd'hui. Nous sommes impatients de voir ce que la communauté quantique construira pour nous aider à exploiter la puissance du quantique et à résoudre des problèmes importants.

Supercalculateurs centrés sur le quantique

Aller au-delà des processeurs à puce unique est la clé pour résoudre des problèmes à grande échelle. En 2024, nous avons présenté Crossbill, le premier processeur unique fabriqué à partir de plusieurs puces. Ce sont les premières étapes pour inaugurer une nouvelle ère de mise à l'échelle, offrant un chemin clair vers 100 000 qubits et au-delà avec le supercalcul centré sur le quantique. C'est une architecture informatique modulaire qui permet la mise à l'échelle. Elle combine la communication et le calcul quantiques pour augmenter la capacité computationnelle, tout en employant des intergiciels cloud hybrides pour intégrer de manière transparente les flux de travail quantiques et classiques.

La résolution des problèmes les plus complexes du monde nécessitera une combinaison de ressources classiques et quantiques. De plus, cela dépendra de la collaboration continue entre l'industrie et le monde académique.

Points clés à retenir

Tu peux garder ces points clés à l'esprit :

• Les ordinateurs quantiques d'aujourd'hui ne sont pas tolérants aux fautes.

• Trois dimensions principales pour évaluer la performance du calcul quantique sont : l'échelle (qubits programmables), la qualité (opérations sur les qubits) et la vitesse (nombre maximal de circuits par seconde).

• Des benchmarks supplémentaires tels que le Quantum Volume, le CLOPS et l'EPLG restent utiles pour comprendre des caractéristiques matérielles et des charges de travail spécifiques.

• Une expérience conjointe IBM Quantum-UC Berkeley a présenté des preuves que les ordinateurs quantiques IBM fournissent des résultats fiables et précis pour des problèmes de simulation difficiles à l'échelle de 127 qubits.

• Le supercalcul centré sur le quantique signifie traiter le quantique comme une pièce d'un paradigme HPC plus large avec le classique et le quantique fonctionnant comme une seule unité computationnelle.