Google Willow et les « états magiques »

Le 15 octobre, l’équipe de Google Quantum AI a expliqué sur le blog de Google qu’une méthode appelée magic state cultivation, autrement dit la « culture » d’états magiques, a fonctionné en pratique pour la première fois, sur le processeur Google Willow. Les résultats ont été publiés dans la revue Science.

Qu’a montré exactement Google Willow ?

D’après le billet d’Emma Rosenfeld et Craig Gidney, de Google Quantum AI, la méthode a permis d’obtenir :

1. environ 40x moins d’erreurs que les états magiques préparés sans « culture »,
2. des états T (un type d’états magiques) avec une fidélité logique de 99,99 %, un record selon l’équipe,
3. les premiers pas vers l’architecture cible de Google : un état a été transféré d’un code de couleur de distance 3 vers un code de surface de distance 5.

Selon Decrypt, l’expérience a utilisé au maximum 54 des 105 qubits de Willow.

Et c’est quoi, ces « états magiques » ?

Un ordinateur quantique avec correction d’erreurs exécute une partie des opérations faciles à assez bas coût, mais pour le calcul universel il lui faut aussi les opérations « difficiles ». Une façon de les obtenir est de préparer à l’avance des états auxiliaires spéciaux, et ce sont justement les états magiques. Leur nom vient du fait que ce sont eux qui permettent de dépasser les limites de ce qu’on peut simuler sur un ordinateur classique.

Le problème, c’est qu’ils sont coûteux et à usage unique : chaque état magique ne peut être consommé qu’une seule fois. Selon des estimations citées par Google, leur production pourrait absorber jusqu’à 95 % de la puissance d’un ordinateur quantique. L’équipe écrit que ce goulot d’étranglement avait été prédit dès 2004 et qu’on cherche depuis une vingtaine d’années à l’élargir.

Comment fonctionne la « culture » d’états magiques ?

La théorie a été décrite en 2024 par Craig Gidney, Noah Shutty et Cody Jones dans l’article « Magic state cultivation: growing T states as cheap as CNOT gates ». Le principe ressemble à un filtre :

1. on injecte un état bruité dans une petite zone de la puce,
2. une série de mesures coordonnées le vérifie et rejette les tentatives ratées,
3. l’état qui survit est « cultivé », c’est-à-dire développé jusqu’à une forme très propre qu’on peut transférer vers un code plus grand.

Fait intéressant, le passage de la théorie au matériel n’a pas été simple. Selon Google, les premières données de l’expérience d’Emma Rosenfeld « semblaient défier les lois de la physique ». Après des mois de travail, il s’est avéré que le coupable était une hypothèse erronée dans une méthode de mesure que l’équipe utilisait couramment. ScienceAlert rapporte que le problème a été résolu grâce à une nouvelle technique, la « kickback tomography ».

Y a-t-il un piège ?

Le filtre a un prix. Dans les essais les plus stricts, seulement environ 8 % des tentatives étaient conservées, le reste était rejeté. Le transfert de l’état vers un code plus grand ajoutait aussi de nouvelles erreurs, auxquelles l’équipe doit encore s’attaquer.

Google lui-même souligne que la méthode doit être démontrée à plus grande échelle avant de servir à des calculs pratiques. Decrypt rappelle que pour casser RSA-2048, il faudrait des états magiques avec un taux d’erreur de l’ordre de 1 sur 10 milliards, soit environ un million de fois plus propres que dans cette expérience. Le « Q-day » est donc encore loin.

Qu’est-ce que ça change pour la cryptographie ?

Pas grand-chose, pour l’instant. Alex Pruden, de Project Eleven, a déclaré à The Block que le résultat ne déplace pas forcément les prévisions sur le Q-day, car les estimations de ressources précédentes supposaient déjà cette technique. Selon lui, l’expérience confirme plutôt ces hypothèses, ce qui rend les prévisions actuelles plus crédibles. Nic Carter, de Castle Island Ventures, a estimé qu’il n’y a « aucune menace immédiate ».

C’est un nouveau résultat majeur du monde quantique ces derniers jours. J’ai récemment écrit sur la façon dont Claude a conçu des circuits quantiques avec jusqu’à 17x moins de portes. De meilleurs circuits et des états magiques moins chers sont les deux faces d’un même problème : comment faire tenir des calculs utiles sur un matériel limité.

FAQ

Qu’est-ce que Google Willow ?

C’est le processeur quantique de Google Quantum AI. L’expérience de culture d’états magiques a utilisé au maximum 54 de ses 105 qubits.

Google Willow peut-il déjà casser le chiffrement ?

Non. Pour casser RSA-2048, il faudrait des états magiques environ un million de fois plus propres que dans cette expérience, et une machine bien plus grande.

Où lire l’article sur les états magiques ?

Les résultats de l’expérience ont été publiés dans Science, et la théorie de 2024 est sur arXiv.