IBM a annoncé une nouvelle architecture modulaire pour les systèmes cryogéniques utilisés dans ses ordinateurs quantiques supraconducteurs, dans le but de dépasser les limites liées à l’extension des processeurs quantiques à puce unique. La conception repose sur des cellules de refroidissement distinctes pouvant être reliées côte à côte, ce qui permet de faire transiter des informations entre plusieurs processeurs par l’intermédiaire de connexions quantiques et traditionnelles, plutôt que de limiter les opérations à un seul processeur.
Les ordinateurs quantiques supraconducteurs d’IBM fonctionnent à des températures inférieures à celles de l’espace extérieur, ce qui nécessite des réfrigérateurs à dilution et des barrières thermiques spécialisées afin de maintenir les états quantiques stables suffisamment longtemps pour exécuter les calculs. L’entreprise estime que l’augmentation du nombre de qubits ne nécessite pas seulement des processeurs plus grands, mais aussi une architecture de refroidissement capable d’accueillir plusieurs processeurs et de les relier tout en préservant la stabilité thermique.
Des structures cylindriques aux cellules interconnectables
Les systèmes quantiques actuels sont généralement placés dans des conteneurs cylindriques isolés sous vide. Cette approche a permis à IBM de passer de son premier ordinateur quantique accessible via le cloud en 2016, qui comptait cinq qubits, au processeur IBM Quantum Condor, dévoilé en 2023 avec plus de 1 000 qubits. Toutefois, l’extension sur une seule puce se heurte à des limites liées à l’espace, à la production de chaleur et aux interférences indésirables entre les qubits.
Les nouvelles cellules adoptent au contraire une forme cubique et sont fabriquées à partir de panneaux et de structures en aluminium. Chaque cellule comprend un environnement de refroidissement complet, avec sa propre chambre à vide, ses équipements de refroidissement et ses barrières thermiques, tandis que des ouvertures dédiées permettent de faire passer les câbles quantiques vers les cellules voisines. Le fait de placer les cellules côte à côte contribue à raccourcir les trajets de connexion par rapport aux longues liaisons entre les conteneurs cylindriques.
Qu’est-ce qui change concrètement ?
Les couches de protection thermique ont été conçues pour limiter les interactions thermiques entre les cellules adjacentes. Selon IBM, les temps de refroidissement et la stabilité des températures devraient rester similaires à mesure que de nouvelles cellules sont ajoutées, ce qui permettrait d’étendre le système sans perturber les performances de calcul. Le système pourrait également être mis à niveau cellule par cellule, au lieu de devoir reconcevoir toute l’architecture de refroidissement lors de l’introduction de nouveaux processeurs ou de nouveaux composants électroniques quantiques.
La surface disponible pour le câblage dans chaque cellule est d’environ 0,53 mètre carré, et le volume de la chambre à vide atteint 2,75 mètres cubes, tandis que le volume de la cellule équivaut approximativement à trois fois celui d’un réfrigérateur de cuisine standard. Cet espace offre une marge pour des processeurs plus grands et des configurations plus denses, tout en permettant d’accueillir davantage de connexions et de composants électroniques dans l’environnement froid.
Une étape vers des systèmes quantiques tolérants aux pannes
IBM a testé concrètement la nouvelle architecture en faisant fonctionner deux cellules de refroidissement connectées dans son établissement de Poughkeepsie, à New York. L’entreprise considère cette expérience comme une validation initiale de l’approche nécessaire à la construction de systèmes quantiques multi-puces, capables de répartir les tâches entre des processeurs connectés ou de fonctionner comme un système unifié plus puissant.
IBM inscrit cette architecture dans sa feuille de route vers IBM Quantum Starling, qu’elle décrit comme le premier ordinateur quantique tolérant aux pannes et qu’elle prévoit pour 2029. L’entreprise prévoit également que les futures versions d’une cellule unique prendront en charge au moins 2 000 qubits. Ces systèmes permettront aux chercheurs de tester des composants de l’architecture quantique modulaire d’IBM, notamment les connecteurs l-couplers, présentés pour la première fois en 2024 afin de relier des unités de traitement quantique sur une distance pouvant atteindre un mètre.