Microsoft franchit la première étape vers un supercalculateur quantique - Microsoft Azure Quantum Blog (2023)

Dans l'événement virtuel,Azure Quantum : Accélérer la découverte scientifique, notre président et chef de la direction Satya Nadella l'a dit le mieux : « Notre objectif est de comprimer les 250 prochaines années de progrès de la chimie et de la science des matériaux dans les 25 prochaines.

Conformément à cet objectif, nous faisonstrois annonces importantes aujourd'hui.

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• Copilote dans Azure Quantumaide les scientifiques à utiliser le langage naturel pour résoudre des problèmes complexes de chimie et de science des matériaux. Avec Copilot dans Azure Quantum, un scientifique peut accomplir des tâches complexes telles que la génération de calculs et de simulations sous-jacents, l'interrogation et la visualisation de données et l'obtention de réponses guidées à des concepts complexes. Copilot aide également les utilisateursen savoir plus sur le quantique et écrire du codepour les ordinateurs quantiques d'aujourd'hui. Il s'agit d'une expérience basée sur un navigateur entièrement intégrée disponible pour essayer gratuitement qui dispose d'un éditeur de code intégré, d'un simulateur quantique et d'une compilation de code transparente.
• Feuille de route du supercalculateur quantique de Microsoftest maintenantpubliéavecrecherche évaluée par des pairsdémontrant que nous avons franchi la première étape.

Niveaux de mise en œuvre de l'informatique quantique

Le chemin vers le supercalcul quantique n'est pas sans rappeler le chemin vers les supercalculateurs classiques d'aujourd'hui. Les pionniers des premières machines informatiques ont dû faire progresser la technologie sous-jacente pour améliorer leurs performances avant de pouvoir évoluer vers de grandes architectures. C'est ce qui a motivé le passage des tubes à vide aux transistors, puis aux circuits intégrés. Des changements fondamentaux de la technologie sous-jacente précipiteront également le développement d'un supercalculateur quantique.

Au fur et à mesure que l'industrie progresse, le matériel quantique tombera dans l'une des trois catégories de niveaux de mise en œuvre de l'informatique quantique :

Niveau 1 — Fondamental : systèmes quantiques qui s'exécutent sur des qubits physiques bruyants, y compris tous les ordinateurs Noisy Intermediate Scale Quantum (NISQ) actuels.

Microsoft a apporté ces machines quantiques—le meilleur au monde, avec les volumes quantiques les plus élevés de l'industrie—au cloud avecAzur quantiquey compris IonQ, Pasqal, Quantinuum, QCI et Rigetti. Ces ordinateurs quantiques sont parfaits pour l'expérimentation en tant que passerelle vers l'informatique quantique à l'échelle. Au niveau fondamental, l'industrie mesure les progrès en comptant les qubits et le volume quantique.

Niveau 2 — Résilient : systèmes quantiques qui fonctionnent sur des qubits logiques fiables.

Atteindre le niveau de résilience nécessite une transition des qubits physiques bruyants vers des qubits logiques fiables. Ceci est essentiel car les qubits physiques bruyants ne peuvent pas exécuter directement des applications à l'échelle. Les erreurs qui se produisent inévitablement gâchent le calcul. Ils doivent donc être corrigés. Pour ce faire de manière adéquate et préserver les informations quantiques, des centaines à des milliers de qubits physiques seront combinés en un qubit logique qui crée une redondance. Cependant, cela ne fonctionne que si les taux d'erreur des qubits physiques sont inférieurs à une valeur seuil ; sinon, les tentatives de correction d'erreurs seront vaines. Une fois ce seuil de stabilité atteint, il est possible de faire des qubits logiques fiables. Cependant, même les qubits logiques finiront par souffrir d'erreurs. La clé est qu'ils doivent rester sans erreur pendant toute la durée du calcul alimentant l'application. Plus le qubit logique est stable longtemps, plus l'application qu'il peut exécuter est complexe. Afin de rendre un qubit logique plus stable (ou, en d'autres termes, de réduire le taux d'erreur logique), nous devons soit augmenter le nombre de qubits physiques par qubit logique, soit rendre les qubits physiques plus stables, soit les deux. Par conséquent, il y a un gain significatif à tirer de qubits physiques plus stables car ils permettent des qubits logiques plus fiables, qui à leur tour peuvent exécuter des applications de plus en plus sophistiquées. C'est pourquoi les performances des systèmes quantiques au niveau résilient seront mesurées par leur fiabilité, telle que mesurée par les taux d'erreur de qubit logique.

Niveau 3 — Échelle : supercalculateurs quantiques capables de résoudre des problèmes percutants que même les supercalculateurs classiques les plus puissants ne peuvent pas résoudre.

Ce niveau sera atteint lorsqu'il deviendra possible de concevoir un supercalculateur quantique programmable à l'échelle qui sera capable de résoudre des problèmes insolubles sur un ordinateur classique. Une telle machine peut être mise à l'échelle pour résoudre les problèmes les plus complexes auxquels notre société est confrontée. Pour l'avenir, nous devons définir un bon facteur de mérite qui reflète ce qu'un supercalculateur quantique peut faire. Cette mesure des performances d'un supercalculateur devrait nous aider à comprendre dans quelle mesure le système est capable de résoudre des problèmes percutants. Nous offrons une telle figure de mérite :opérations quantiques fiables par seconde (rQOPS),qui mesure le nombre d'opérations fiables pouvant être exécutées en une seconde. Un supercalculateur quantique aura besoin d'au moins un million de rQOPS.

Mesurer un supercalculateur quantique

La métrique rQOPS compte les opérations qui restent fiables pendant la durée d'un algorithme quantique pratique afin d'avoir l'assurance qu'il fonctionnera correctement. Comme nous le verrons ci-dessous, cette métrique encapsule les performances complètes du système (par opposition aux seules performances physiques du qubit) et combine trois facteurs clés essentiels à la mise à l'échelle pour exécuter des applications quantiques précieuses : l'échelle, la fiabilité et la vitesse.

La première fois que le rQOPS est détecté est au niveau 2, mais il devient significatif au niveau 3. Pour résoudre des problèmes scientifiques précieux, le premier supercalculateur quantique devra fournir au moins un million de rQOPS, avec un taux d'erreur d'au plus 10^-12ou un seul pour chaque billion d'opérations. À un million de rQOPS, un supercalculateur quantique pourrait simuler des modèles simples de matériaux corrélés, aidant à la création de meilleurs supraconducteurs, par exemple. Afin de résoudre les problèmes de chimie commerciale et de science des matériaux les plus difficiles, un supercalculateur devra continuer à évoluer jusqu'à un milliard de rQOPS et au-delà, avec un taux d'erreur d'au plus 10^-18ou un pour chaque quintillion d'opérations. À un milliard de rQOPS, la recherche en chimie et en science des matériaux sera accélérée en modélisant de nouvelles configurations et interactions de molécules.

Notre industrie dans son ensemble n'a pas encore atteint cet objectif, ce qui ne peut se produire qu'une fois que nous aurons passé de l'ère NISQ à la réalisation d'un qubit fiable..Alors que les ordinateurs quantiques d'aujourd'hui fonctionnent tous à une valeur rQOPS de zéro, cette métrique quantifie où les ordinateurs quantiques de demain doivent être pour fournir de la valeur.

Calcul de rQOPS

Un rQOPS est donné par le nombreQde qubits logiques dans le système quantique multiplié par la vitesse d'horloge logique du matérielF:

rQOPS = Q· F .

Il est exprimé avec un taux d'erreur logique correspondantp_L, qui indique le taux d'erreur maximal tolérable des opérations sur les qubits logiques.

Le rQOPS tient compte des trois facteurs clés de l'échelle, de la vitesse et de la fiabilité : l'échelle par le nombre de qubits fiables ; vitesse grâce à la dépendance à la vitesse d'horloge; et la fiabilité grâce au codage des qubits physiques en qubits logiques et au taux d'erreur logique correspondantp_L.

Pour faciliter le calcul du nombre de rQOPS requis par un algorithme, nous avons mis à jour leEstimateur de ressources Azure Quantumpour sortir le rQOPS etp_Lpour le choix de l'algorithme quantique et de l'architecture matérielle quantique par l'utilisateur. Cet outil permet aux innovateurs quantiques de développer et d'affiner des algorithmes à exécuter sur les ordinateurs quantiques à l'échelle de demain en révélant le rQOPS et le temps d'exécution requis pour exécuter des applications sur différentes architectures matérielles.

Dans les graphiques ci-dessous, nous illustrons les exigences (nombre de qubits physiques et vitesse d'horloge physique) nécessaires pour un million de rQOPS avecp_L=10^-12et pour un milliard de rQOPS avecp_L=10^-18. Nous traçons ces exigences pour les deux cas dans lesquels les qubits physiques sous-jacents ont des taux d'erreur de 10^-3ou 10^-6.

Figure 1: Exigences pour atteindre 1M rQOPS, avec un 10^-12taux d'erreur logique et au moins 1 000 qubits logiques fiables. Les compromis matériels physiques entre la vitesse d'horloge et les qubits sont indiqués pour les appareils avec des taux d'erreur physique de 1/1000 et 1/1 000 000.

Figure 2: Exigences pour atteindre 1G rQOPS, avec un 10^-18taux d'erreur logique. Les compromis matériels physiques entre la vitesse d'horloge et les qubits sont indiqués pour les appareils avec des taux d'erreur physique de 1/1000 et 1/1 000 000.

Le premier jalon vers un supercalculateur quantique

Un supercalculateur quantique doit être alimenté par des qubits logiques fiables, chacun étant formé de nombreux qubits physiques. Plus le qubit physique est stable, plus il est facile de le faire évoluer car vous en avez besoin de moins. Au fil des ans, les chercheurs de Microsoft ont fabriqué une variété de qubits utilisés dans de nombreux ordinateurs NISQ actuels, notamment les qubits spin, transmon et gatemon. Cependant, nous avons conclu qu'aucun de ces qubits n'est parfaitement adapté à la mise à l'échelle.

C'est pourquoi nous avons décidé de concevoir un tout nouveau qubit avec une stabilité inhérente au niveau matériel. Cela a été une voie de développement ardue à court terme car elle exigeait que nous fassions une percée en physique qui a échappé aux chercheurs pendant des décennies. Surmontant de nombreux défis, nous sommes ravis de partager qu'un article évalué par des pairs, publié dansExamen physique B, une revue de l'American Physical Society, établit queMicrosoft a franchi la première étape vers la création d'un supercalculateur quantique fiable et pratique.

Dans cet article, nous décrivons comment nous avons conçu un dispositif dans lequel nous pouvons induire de manière contrôlée une phase topologique de la matière caractérisée par les modes zéro de Majorana (MZM).

La phase topologique peut permettre des qubits hautement stables avec de petites empreintes, des temps de porte rapides et un contrôle numérique. Cependant, le désordre peut détruire la phase topologique et obscurcir sa détection. Notre article rend compte des dispositifs présentant un désordre suffisamment faible pour passer le protocole d'écart topologique, démontrant ainsi cette phase de la matière et ouvrant la voie à un nouveau qubit stable. La version publiée de l'article montre les données d'appareils supplémentaires mesurés aprèspremières présentations de cette percée. Nous avons ajouté des tests approfondis du TGP avec des simulations qui le valident davantage. De plus, nous avons développé une nouvelle mesure du niveau de désordre dans nos appareils qui démontre comment nous avons pu franchir cette étape et a semé de nouvelles améliorations.

Pour en savoir plus sur cette réalisation, vous pouvez lire l'article, analyser vous-même les données dans notrecahiers Jupyter interactifs, et regardez cette vidéo récapitulative.

La feuille de route de Microsoft vers un supercalculateur quantique

1.Créez et contrôlez des Majoranas :Atteint.

2.Qubit matériel protégé :Le qubit protégé par matériel (historiquement appelé qubit topologique) aura une protection intégrée contre les erreurs. Ce qubit unique évoluera pour prendre en charge un qubit fiable et permettra l'ingénierie d'un supercalculateur quantique car il sera :

• Petit - Chacun de nos qubits protégés par matériel aura moins de 10 microns de côté, de sorte qu'un million peut tenir dans la zone de la puce intelligente d'une carte de crédit, permettant ainsi une machine à module unique de taille pratique.
• Rapide—Chaque opération de qubit prendra moins d'une microseconde. Cela signifie que les problèmes peuvent être résolus en quelques semaines plutôt qu'en décennies ou en siècles.
• Contrôlable—Nos qubits seront contrôlés par des impulsions de tension numériques pour s'assurer qu'une machine avec des millions d'entre eux n'a pas un taux d'erreur excessif ou ne nécessite pas une bande passante d'entrée/sortie inaccessible.

3.Qubits protégés par matériel de haute qualité :Qubits protégés par le matériel qui peuvent être enchevêtrés et exploités par tressage, réduisant les taux d'erreur avec une série d'avancées de qualité.

4.Système multi-qubit :Une variété d'algorithmes quantiques peuvent être exécutés lorsque plusieurs qubits fonctionnent ensemble comme une unité de traitement quantique (QPU) programmable dans une machine quantique à pile complète.

5.Système quantique résilient :Une machine quantique fonctionnant sur des qubits logiques fiables, qui démontre des opérations de meilleure qualité que les qubits physiques sous-jacents. Cette percée permet le premier rQOPS.

6.Supercalculateur quantique :Un système quantique capable de résoudre des problèmes percutants, même les supercalculateurs classiques les plus puissants ne le peuvent pas avec au moins un million de rQOPS avec un taux d'erreur d'au plus 10^-12(un sur mille milliards).

Nous atteindrons le niveau 2, Résilient, des niveaux de mise en œuvre de l'informatique quantique à notre cinquième étape et atteindrons le niveau 3, Échelle, avec la sixième.

Rejoignez le voyage

Aujourd'hui marque un moment important sur notre chemin vers l'ingénierie d'un supercalculateur quantique et, finalement, l'autonomisation des scientifiques pour résoudre bon nombre des problèmes les plus difficiles auxquels notre planète est confrontée. Pour en savoir plus sur la façon dont nous accélérons la découverte scientifique avec Azure Quantum, consultezl'événement virtuelavec Satya Nadella, président-directeur général de Microsoft, Jason Zander, vice-président exécutif des missions stratégiques et des technologies, et Brad Smith, vice-président et président. Pour suivre notre voyage et obtenir les dernières nouvelles d'initiés sur les progrès de notre matériel,Inscrivez-vous ici.