Avec une température presque 200 fois plus froide que l’espace profond, IBM a levé le principal verrou de l’ordinateur quantique

Quinze millikelvins, soit 0,015 kelvin, c'est à peine quinze millièmes de degré au-dessus du zéro absolu, fixé à -273,15 °C. À titre de comparaison, le rayonnement fossile qui baigne l'Univers affiche une température d'environ 2,7 kelvins. Pour autant, le véritable exploit d'IBM n'est pas d'avoir atteint cette température mais d'arriver à conserver ce froid extrême dans une installation suffisamment vaste, câblée et surtout extensible pour relier plusieurs processeurs quantiques.

Pourquoi les qubits ont-ils besoin d’un froid extrême ?

Les qubits supraconducteurs utilisés par IBM sont extrêmement sensibles à leur environnement. La chaleur génère du bruit thermique susceptible de perturber leur état quantique, de provoquer leur décohérence et donc d'augmenter les erreurs de calcul. Pour les protéger, les processeurs sont installés dans des réfrigérateurs à dilution. Ces machines exploitent notamment un mélange d'hélium-3 et d'hélium-4 pour atteindre quelques millièmes de kelvin.

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La difficulté tient dans le fait que plus le nombre de qubits augmente, plus le refroidissement devient un problème d'architecture. Chaque qubit doit être contrôlé, lu et relié au reste de la machine. Il faut donc multiplier les câbles, et les interconnexions, autant d'éléments qui prennent de la place et peuvent apporter chaleur, bruit et interférences.

Des cellules cryogéniques que l’on peut juxtaposer

La réponse d'IBM consiste à abandonner le principe d'un unique cryostat monolithique au profit de cellules rectangulaires capables de fonctionner côte à côte. Chaque module dispose de sa propre enceinte sous vide, de son système de refroidissement et de plusieurs écrans thermiques. Lorsque deux cellules sont assemblées, leurs protections se prolongent pour former un véritable tunnel cryogénique dans lequel passent les liaisons entre processeurs.

Les deux premiers modules connectés mesurent ensemble plus de 2,4 mètres de haut et autant de large. Ils sont descendus à 4 kelvins en moins de cinq jours avant d'atteindre moins de 15 millikelvins. Surtout, chaque enceinte offre jusqu'à douze fois plus d'espace pour le câblage que les systèmes IBM les plus courants. Leur forme en « boîte » permet également de rapprocher les processeurs et donc de raccourcir les connexions entre eux.

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IBM veut notamment y déployer ses « L-couplers », des interconnexions conçues pour transporter l'information quantique entre des puces distinctes. C'est une avancée déterminante car plutôt que de fabriquer une puce toujours plus gigantesque, il devient possible d'assembler plusieurs processeurs et de les faire fonctionner comme les différentes parties d'une même machine.

La prochaine étape consistera à installer des processeurs Nighthawk dans ces modules afin de tester l'architecture avec de véritables puces quantiques. Dès 2027, IBM prévoit de relier plusieurs processeurs afin d'obtenir un système d'au moins 1 000 qubits programmables. À terme, chaque cellule cryogénique pourrait accueillir plusieurs milliers de qubits.

Cette montée en puissance doit conduire à Starling, l'ordinateur quantique qu'IBM prévoit pour 2029. Le groupe vise une machine disposant de 200 qubits logiques protégés par correction d'erreurs et capable d'exécuter jusqu'à 100 millions d'opérations quantiques.