IBM, AMD et le Centre des sciences quantiques du Département de l'Énergie (DOE) au Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) ont dévoilé aujourd'hui une plateforme de co-conception pour la correction d'erreurs quantiques. Cette plateforme repose sur des matériels quantiques et classiques hébergés dans les mêmes locaux. Sur le site quantique d'IBM à Poughkeepsie, dans l'État de New York, les ordinateurs quantiques d'IBM, notamment le processeur IBM Quantum Nighthawk de 120 qubits , sont installés à proximité d'Umbra, un système de calcul haute performance de l'ORNL basé sur des GPU AMD Instinct MI355X et des processeurs AMD EPYC de 5e génération. Le matériel AMD assure la partie classique de la recherche : décodage, optimisation et orchestration logicielle.
Calcul classique pour la correction d'erreurs quantiques
Les codes correcteurs d'erreurs répartissent l'information quantique sur de nombreux qubits physiques et effectuent des vérifications répétées pour détecter les anomalies. Un ordinateur classique analyse chaque série de vérifications et détermine quels qubits sont défectueux ; IBM appelle cette opération le décodage. Le décodeur doit suivre le rythme du processeur quantique. Aujourd'hui, les ordinateurs quantiques et les clusters de calcul haute performance (HPC) sont rarement situés dans le même bâtiment. Les chercheurs accèdent donc à la machine quantique via le cloud, exécutent les calculs classiques sur des systèmes distincts et connectent les deux via des API séparées. Chaque transfert induit un délai et limite le nombre d'expériences qu'une équipe peut mener.
La plateforme juxtapose les deux composantes afin que les chercheurs puissent tester la correction d'erreurs sur du matériel quantique réel, directement dans les flux de travail prévus, sans avoir à développer eux-mêmes cette infrastructure. IBM précise que ses travaux couvrent les codes concaténés, les codes spatio-temporels, les décodeurs prenant en compte les algorithmes, l'optimisation et la compilation de circuits adaptés au matériel, ainsi que l'orchestration logicielle, le tout dans une seule et même pile logicielle.
L'un des objectifs est la correction d'erreurs hiérarchique, qui consiste à superposer un code interne protégeant les qubits d'un module à un code externe encapsulant les qubits logiques du code interne. Selon les recherches d'IBM, cette approche permet d'effectuer mille milliards d'opérations logiques avec un taux d'erreur physique d'une sur mille, le décodage s'effectuant à chaque niveau.
« Grâce à Umbra, nous allons maintenant tester de nouvelles idées, évaluer des approches à grande échelle et jeter les bases d'ordinateurs quantiques plus fiables », a déclaré Travis Humble, directeur du Centre des sciences quantiques.
GPU MI355X et processeurs EPYC de 5e génération dans Umbra
Côté quantique, Nighthawk offre aux chercheurs une connectivité à réseau carré, la plus élevée de toutes les architectures de processeurs IBM, un débit de circuits élevé et un contrôle des impulsions en temps réel grâce à l'API du système quantique d'IBM. Les chercheurs peuvent mesurer les qubits en cours de traitement, agir sur le résultat en temps réel, définir la synchronisation précise des signaux qui protègent les qubits du bruit et travailler directement avec les signaux de mesure bruts. Cela permet à une équipe de comparer le coût de chaque méthode de correction d'erreurs en qubits, temps, échantillons et ressources classiques, et de déterminer où l'accélération GPU est la plus bénéfique.
Du côté classique, les accélérateurs MI355X permettent aux chercheurs d'entraîner et d'évaluer des décodeurs à grande échelle, les processeurs EPYC assurant l'orchestration. La colocalisation garantit une faible latence pour le décodage et l'exécution conditionnelle, où un programme quantique choisit sa prochaine opération en fonction d'une mesure effectuée en cours de calcul. Ni IBM ni AMD n'ont publié le nombre de nœuds, les quantités de GPU ou de CPU, les chiffres de latence de décodage ou les benchmarks du déploiement. AMD a décrit séparément des SoC et des FPGA adaptatifs pour le contrôle et la lecture à faible latence, ainsi que ROCm pour l'orchestration des accélérateurs quantiques, dans le cadre de sa stratégie quantique hybride , mais l'annonce ne les intègre pas à Umbra.
Cette plateforme prolonge les travaux antérieurs menés conjointement par les trois organisations. IBM et l'ORNL collaborent déjà au sein du Centre de sciences quantiques et ont démontré que les charges de travail sont réparties entre les ordinateurs quantiques d'IBM et le supercalculateur Frontier, permettant de simuler des matériaux magnétiques et de calculer les configurations moléculaires d'un matériau candidat pour le combustible de fusion. Avec AMD, IBM utilise des GPU AMD pour accélérer l'étape de diagonalisation classique dans la diagonalisation quantique basée sur des échantillons, et les deux entreprises ont présenté un algorithme capable de décoder les erreurs quantiques sur des puces AMD.
Connexions prévues au supercalculateur d'ORNL
La plateforme sera connectée au Centre de calcul haute performance d'Oak Ridge (ORNL) à Oak Ridge, dans le Tennessee. L'ORNL prévoit également une connexion à Lux, son supercalculateur basé sur des processeurs AMD, afin que les travaux quantiques puissent s'intégrer à l'infrastructure de calcul scientifique et d'intelligence artificielle du laboratoire. IBM et AMD indiquent que cette collaboration explorera comment les futures générations de solutions de calcul, de réseaux et de logiciels libres AMD pourront être conçues conjointement avec les ordinateurs quantiques. Ces connexions sont décrites comme étant prévues, et l'annonce ne précise aucune date d'achèvement, aucun calendrier d'accès externe ni aucune date de disponibilité générale pour la plateforme.
Cette initiative s'inscrit dans le cadre de la mission Quantum Genesis du Département de l'Énergie américain (DOE) et de son objectif de développer un ordinateur quantique scientifiquement pertinent d'ici 2028. Le concours Q de cette mission vise à atteindre 100 qubits logiques capables d'effectuer 100 000 opérations matérielles d'ici fin 2028. Les expériences actuelles d'IBM atteignent 70 qubits logiques et 438 opérations matérielles, soit un écart d'environ 230 fois en nombre d'opérations. IBM précise que les enseignements tirés par les équipes en matière de correction d'erreurs et de flux de travail HPC alimenteront IBM Quantum Starling , l'ordinateur quantique tolérant aux pannes qu'elle prévoit de livrer d'ici 2029.
« Cette plateforme de co-conception représente une étape importante vers la construction de l'infrastructure informatique évolutive et efficace nécessaire pour faire de l'informatique quantique tolérante aux pannes une réalité », a déclaré Mark Papermaster, vice-président exécutif et directeur de la technologie chez AMD.
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