IBM et trois partenaires de recherche, l'Université de Chicago, Algorithmiq et Qedma, ont publié des études distinctes sur l'informatique quantique axées sur un obstacle commun aux affirmations d'avantage quantique : établir la confiance dans des résultats que les systèmes classiques ne peuvent pas reproduire directement.
Ces travaux portent sur les circuits logiques encodés, les simulations de matériaux quantiques et la physique à N corps avec correction d'erreurs. Dans chaque cas, des processeurs IBM Quantum Heron ont été utilisés pour exécuter des charges de travail dont les équipes participantes ont indiqué qu'elles dépassaient les capacités pratiques des principales approches de simulation classiques. Les études et les résultats sous-jacents ont été publiés sur la plateforme IBM Quantum Advantage Tracker pour permettre une évaluation comparative continue.
La collaboration de l'Université de Chicago a démontré une alternative structurée à l'échantillonnage aléatoire de circuits, une méthode courante d'évaluation de l'avantage quantique dont la validation devient difficile lorsque la complexité des circuits augmente. Cette technique, qu'IBM appelle échantillonnage de Clifford dopé, intègre un circuit de Clifford dans un code spatio-temporel, puis ajoute stratégiquement des portes T non-Clifford, rendant le calcul difficile en informatique classique tout en préservant les contrôles de syndrome nécessaires à la détection d'erreurs en cours d'exécution. L'article est intitulé « Échantillonnage de circuits difficiles avec une fidélité vérifiable ».
L'expérience a exécuté 70 qubits logiques, réalisant 2,415 15 opérations logiques à deux qubits et 468 portes logiques T, deux indicateurs de la complexité du circuit. IBM et l'université annoncent des taux d'erreur logiques effectifs environ dix fois inférieurs aux taux d'erreur physiques sous-jacents, ce qui a permis d'atteindre une haute fidélité du circuit avec un tel nombre de portes. Le calcul quantique s'est achevé en une quinzaine de minutes, alors que les chercheurs indiquent que les principales méthodes de simulation classique se heurtent à des temps d'exécution prohibitifs. IBM le décrit comme l'une des plus grandes démonstrations de correction d'erreurs connues à ce jour, et ce résultat est important car il associe une charge de travail hors du commun à une limite inférieure statistique de la fidélité d'exécution.
« Nous sommes désormais pleinement entrés dans l'ère de l'avantage quantique », a déclaré Jay Gambetta, directeur de la recherche chez IBM et membre d'IBM. « Nous avons démontré la faisabilité d'un calcul quantique dépassant les capacités pratiques des ordinateurs classiques, établissant, avec un niveau de confiance statistique, une limite inférieure à la fidélité de son exécution. Cette avancée majeure offre aux scientifiques, aux développeurs et aux entreprises une nouvelle base de confiance envers les ordinateurs quantiques, à mesure qu'ils s'attaquent à des problèmes bien plus complexes que ceux que nous pouvons résoudre par les méthodes classiques. »
L'étude d'Algorithmiq a utilisé un processeur IBM Quantum Heron pour simuler un matériau quantique hétérogène, un modèle conçu pour représenter des systèmes présentant des propriétés locales irrégulières, des interfaces et des couplages microscopiques ajustables. Ces effets sont importants pour des matériaux tels que les catalyseurs et les électrolytes de batteries, où le désordre local modifie la circulation de l'énergie, des particules et de l'information. L'équipe a développé un algorithme quantique pour estimer l'opérateur d'écho de Loschmidt, une grandeur qui décrit la propagation de l'information dans ces systèmes, et l'a exécuté sur 56 qubits.
La charge de travail a été initialement publiée via le Quantum Advantage Tracker il y a huit mois, et IBM et Algorithmiq affirment qu'aucune méthode classique n'a reproduit de manière fiable les résultats sur l'ensemble du problème depuis. Les méthodes d'au moins trois grands groupes de simulation classique ont produit des prédictions contradictoires entre elles et avec le résultat quantique. Plutôt que de s'appuyer sur une réponse exacte inaccessible, l'équipe a appliqué une injection de bruit contrôlée, modifié les calibrations des portes et modélisé le bruit du dispositif, puis a exécuté les simulations sur ce qu'IBM décrit comme cinq ordinateurs quantiques présentant différents profils de bruit, afin de vérifier la stabilité du résultat quantique face aux variations du bruit.
Algorithmiq a également publié monoprop , un logiciel de référence basé sur ses méthodes de simulation classiques de l'état fondamental moléculaire. Ce logiciel vise à permettre aux chercheurs externes de tester les futures affirmations concernant l'avantage quantique par rapport aux techniques classiques existantes.
« Cette collaboration avec IBM a concrétisé une idée proposée initialement par Richard Feynman en 1982 », a déclaré Matteo Rossi, cofondateur et directeur technique d'Algorithmiq. « En simulant la matière quantique à l'aide d'un processeur quantique numérique basé sur les mêmes principes physiques, nous offrons aux chercheurs un modèle ajustable et physiquement intéressant, ouvert à toute tentative de réfutation classique. Il s'agit d'un cas test exigeant, qui a résisté à des tests ouverts pendant huit mois, et ce n'est pas fini. »
Qedma, IBM, RIKEN et BlueQubit ont publié une troisième étude utilisant le logiciel QESEM (Quantum Error Suppression and Error Mitigation) de Qedma sur le matériel IBM Quantum Heron. Cette étude vise à modéliser la dynamique quantique à longue durée de vie dans un système Floquet-Ising bidimensionnel, utilisé par les physiciens pour étudier l'évolution des propriétés magnétiques d'un matériau sous l'effet d'une excitation externe rythmique. Qedma affirme qu'il s'agit de la première fois qu'un avantage quantique est obtenu grâce à du matériel et des logiciels disponibles dans le commerce, le système Heron et QESEM étant accessibles via le cloud. Les entreprises évoquent des applications potentielles dans l'optoélectronique ultrarapide et les supraconducteurs photo-induits.
IBM Quantum 133 Qubit HERON
L'équipe a présenté des simulations impliquant jusqu'à 74 qubits. Elle a comparé les résultats quantiques avec plusieurs méthodes classiques, notamment des calculs sur le supercalculateur Fugaku de RIKEN et des simulations de BlueQubit. À la plus grande échelle testée, les approches classiques n'ont pas concordé de manière systématique, tandis que les résultats quantiques, corrigés des erreurs, ont révélé un comportement oscillatoire persistant.
Le processus de validation de Qedma a d'abord comparé une méthode de correction d'erreurs non biaisée à des calculs classiques, ces derniers restant fiables. Les chercheurs ont ensuite évalué une méthode de correction plus facilement adaptable aux résultats validés avant d'étendre la charge de travail à des systèmes plus importants et à des temps d'exécution plus longs. L'étude a également évalué le comportement sur différents matériels quantiques, notamment des systèmes à ions piégés de Quantinuum, afin de distinguer la physique simulée des artefacts propres aux dispositifs.
Prises ensemble, ces trois études élargissent le débat sur l'avantage quantique au-delà des seules comparaisons de temps d'exécution. Elles portent sur la reproductibilité, la caractérisation des erreurs, la validation multiplateforme et l'évaluation comparative ouverte, autant d'éléments indispensables avant que les systèmes quantiques puissent être considérés comme des outils fiables pour les charges de travail de calcul scientifique dépassant les limites de la simulation classique.
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