Les rayons cosmiques, un obstacle majeur pour le développement de l’informatique quantique.
Menace fantôme
L’un des principaux obstacles auxquels sont confrontés les ordinateurs quantiques est la correction des erreurs. Traditionnellement, ce problème est traité le plus souvent en regroupant plusieurs qubits, l’équivalent quantique des bits de l’informatique traditionnelle, en une sorte de comité au sein des unités de traitement quantique. Au lieu de se fier à un seul qubit, qui peut être correct ou non, le système s’appuie sur le consensus fourni par un groupe entier de qubits. Cela permet d’éliminer les valeurs aberrantes et de réduire considérablement le taux d’erreur à un point tel qu’il est extrêmement improbable qu’il interfère avec un travail de traitement en cours.
Malheureusement, à l’instar de ce qui se trame parfois dans les plus grandes œuvres de science-fiction, il semble qu’un ennemi invisible venu de l’espace puisse menacer la pérennité de cette technologie de correction des erreurs.
Un ennemi invisible (mais généralement inoffensif)
Les rayons cosmiques sont des faisceaux de particules microscopiques invisibles qui bombardent constamment la Terre depuis des sources aussi lointaines que d’autres galaxies. Ils entrent généralement en collision de manière inoffensive avec l’atmosphère de la planète, ainsi qu’avec les objets qui s’y trouvent. Heureusement, pour notre tranquillité d’esprit, ils passent généralement totalement inaperçus et ne font absolument aucun mal avant de poursuivre leur voyage cosmique.
Pour autant, mauvaise nouvelle pour les développeurs de l’informatique quantique : il semble que les processeurs quantiques soient beaucoup, beaucoup plus sensibles à ces intrus généralement inaperçus qu’ils ne le pensaient.
Vulnérabilité quantique
Un article de recherche publié dans Nature Physics a récemment révélé que l’un de ces rayons généralement inoffensifs pourrait causer un problème majeur lorsqu’il frappe un processeur quantique en fonctionnement. Selon les conclusions de plusieurs chercheurs travaillant à Google Quantum AI, un rayon cosmique frappant le cœur d’un ordinateur quantique en fonctionnement peut entraîner la formation d’une quasi-particule appelée phonon.
Ces phonons ont la capacité de perturber les opérations en inversant l’état quantique non seulement d’un seul qubit, mais aussi de tout un ensemble de qubits intriqués qui prolifèrent dans le processeur. Cela signifie qu’une attaque pourrait distribuer des erreurs à travers un ensemble entier de qubits, annulant essentiellement la protection fournie par la correction d’erreur de type comité mentionnée ci-dessus.
Dans une expérience détaillée dans l’article, les chercheurs de Google ont testé un ensemble de 26 qubits connus pour être parmi les plus fiables. Cet ensemble a ensuite été laissé dans un état de repos pendant 100 microsecondes. Lorsqu’ils sont au repos, les qubits fiables doivent généralement rester dans leur état actuel. Pour utiliser une analogie informatique binaire traditionnelle, un 1 doit rester un 1, un 0 doit rester un 0.
En moyenne, l’ensemble de 26 qubits en question a affiché un taux d’erreur d’environ 4 qubits, qui ont changé d’état par erreur au cours de la période de test de 100 microsecondes. Cela correspond bien à la capacité de la correction d’erreur intégrée à compenser en s’appuyant sur la majorité restante de 22 qubits. Cependant, lors de l’attaque confirmée des rayons quantiques, 24 des 26 qubits ont basculé par erreur dans l’état opposé. Ce résultat dépasse largement la capacité de la correction d’erreur traditionnelle à compenser. Un tel résultat placerait l’ensemble du groupe en erreur et pourrait remettre en question la continuité de l’ensemble du travail de traitement.
Une situation inextricable ?
Les interférences des rayons cosmiques n’ont rien de nouveau. Comme Ars Technica l’a noté, ils peuvent également interagir avec les CPU traditionnels en perturbant les charges électriques sur lesquelles elles s’appuient pour effectuer leurs opérations logiques. Toutefois, la structure unique et encore en développement des processeurs quantiques les rend beaucoup plus vulnérables à ces interférences. Les recherches de Google indiquent qu’une erreur due aux rayons cosmiques se produit toutes les 10 secondes. Cela signifie que les travaux de traitement d’une durée de plusieurs heures dont sont chargés la plupart des processeurs quantiques pourraient comporter des centaines, voire des milliers d’erreurs dans leurs résultats.
Pour ne rien arranger, le processeur utilisé par ces chercheurs pour leurs tests était plutôt petit. Plus la demande de traitement augmente, plus la taille du processeur quantique doit augmenter. Or, plus le processeur est grand, plus la surface sur laquelle peut se produire une collision avec un rayon cosmique est importante. Il semble que la menace d’erreurs forcées ne fera que s’aggraver à mesure que les processeurs quantiques se rapprochent des applications pratiques.
Ne pouvons-nous pas construire des boucliers déflecteurs ou quelque chose du genre ?
Malheureusement, il n’existe aucun moyen pratique de bloquer de manière fiable ces voyageurs intergalactiques problématiques. Après tout, ils se déplacent presque à la vitesse de la lumière. Toutefois, comme le souligne Ars Technica, des solutions de contournement astucieuses ont déjà été mises au point pour aider des appareils tels que les équipements d’imagerie astronomique à faire face aux interférences des rayons quantiques. Bien que l’article n’explore pas spécifiquement la viabilité de ces solutions potentielles, elles semblent indiquer que le problème de l’interférence des rayons cosmiques est surmontable.
