L'informatique quantique promet de résoudre des problèmes qui sont actuellement impossibles pour nos superordinateurs les plus puissants, mais construire le logiciel pour faire fonctionner ces machines est une tâche fragile et déroutante. Contrairement aux ordinateurs classiques, qui traitent l'information sous forme de simples commutateurs marche/arrêt, les machines quantiques utilisent des « qubits » qui peuvent exister dans plusieurs états à la fois. Pour les faire fonctionner, les programmeurs doivent construire des séquences complexes d'opérations, écrivant souvent du code qui parle directement à la physique de la machine. Cela nécessite un mélange de compétences rares : une compréhension profonde de la mécanique quantique, la capacité d'écrire du code complexe et la familiarité avec un paysage de différents outils logiciels en évolution rapide. Chaque grande entreprise technologique et groupe de recherche a construit sa propre façon de communiquer avec le matériel quantique, en utilisant des langages et des règles différents. Cette fragmentation rend difficile la certitude qu'un résultat est correct, car une erreur pourrait provenir du code, de l'outil utilisé pour l'écrire ou de la machine elle-même.

Une équipe de chercheurs du Brésil a développé une nouvelle façon de naviguer dans cette complexité, en traitant le logiciel quantique comme un flux d'eau à travers une série de tuyaux plutôt que comme un mur de texte à écrire. Ils ont créé un système appelé Quanifi, qui permet aux utilisateurs de construire des programmes quantiques en faisant glisser et déposer des blocs préfabriqués sur un écran visuel, un peu comme si l'on assemblait un circuit imprimé sans jamais souder un fil. La brillance de leur approche réside dans la façon dont ils testent ces programmes. Au lieu d'exécuter une seule version d'un calcul sur une seule machine, leur système exécute le même problème simultanément à travers trois outils logiciels différents et sur trois ordinateurs quantiques différents. Cela crée une grille de résultats où chaque combinaison possible est testée à la fois. Si les réponses divergent, le système peut identifier précisément où l'erreur s'est produite : était-ce l'outil logiciel, l'ordinateur matériel ou l'appariement spécifique des deux ?

Les chercheurs ont utilisé cette méthode pour exécuter un algorithme de recherche classique, connu sous le nom d'algorithme de Grover, qui est conçu pour trouver un élément spécifique dans une liste importante. Ils ont construit la même routine de recherche en utilisant trois cadres logiciels différents — Qiskit, Cirq et PennyLane — et les ont envoyés à trois ordinateurs quantiques situés dans différentes parties du monde : un d'IBM, un d'IQM et un de Quantum Inspire. En comparant les résultats de ces neuf chemins différents, ils ont été capables de repérer des incohérences qui seraient restées invisibles s'ils n'avaient examiné qu'un seul résultat. Ce processus, qu'ils appellent exécution N×M, agit comme un filet de sécurité puissant, révélant les failles cachées de l'ensemble de l'écosystème de l'informatique quantique.

L'enquête a mis au jour trois défauts réels dans les outils et les machines utilisés par l'industrie. Le premier problème a été trouvé sur une machine de Quantum Inspire. Lorsque les chercheurs utilisaient le cadre logiciel Cirq, la machine retournait systématiquement la mauvaise réponse, inversant les bits du résultat. Cependant, le même logiciel fonctionnait parfaitement sur les deux autres ordinateurs, et les autres cadres logiciels fonctionnaient bien sur cette machine spécifique. Cet échec spécifique pointait vers un problème dans la façon dont l'adaptateur de la machine traduisait les instructions de Cirq. Il s'est avéré que l'adaptateur utilisait un type spécifique de porte de rotation avec la mauvaise direction, faisant essentiellement tourner les qubits dans le sens opposé à celui prévu. Les chercheurs ont confirmé cela en simulant l'erreur et ont ensuite fait rapport au fournisseur.

Un deuxième défaut concernait la même machine Quantum Inspire. L'adaptateur logiciel affirmait que la machine pouvait effectuer certaines opérations complexes qu'elle ne pouvait en réalité pas réaliser. Lorsque les chercheurs ont tenté d'utiliser ces opérations non supportées, la machine a échoué silencieusement, produisant des réponses erronées sans lever d'alerte. Cela a mis en évidence un écart entre ce que le logiciel affirmait que la machine pouvait faire et ce qu'elle pouvait réellement faire. Le troisième défaut, et peut-être le plus important, concernait un service cloud nommé Open Quantum, qui agit comme un intermédiaire permettant d'accéder à différents ordinateurs quantiques via une interface unique. Les chercheurs ont envoyé les mêmes fichiers de circuit exacts à une machine, à la fois via la connexion directe et via ce service cloud. Alors que la connexion directe fonctionnait, le service cloud retournait des résultats incorrects pour certains types de circuits. L'erreur était subtile : le service supprimait silencieusement certaines étapes de rotation des instructions, modifiant le calcul sans en informer l'utilisateur. Le fournisseur a confirmé cette erreur d'analyse et l'a corrigée peu de temps après le rapport.

La valeur de ce travail ne réside pas seulement dans la découverte de ces bugs, mais dans la méthode utilisée pour les trouver. En exécutant chaque combinaison de logiciels et de matériels en même temps, les chercheurs ont créé une carte de fiabilité qui montre précisément là où le système se brise. Ils ont découvert que certains outils fonctionnent bien sur certaines machines mais échouent sur d'autres, et que certains services cloud introduisent des erreurs qui sont impossibles à détecter si l'on ne regarde que le résultat final. Cette approche ne nécessite pas que l'utilisateur soit un expert en physique quantique ou qu'il écrive du code complexe ; il suffit d'assembler les blocs et de laisser le système comparer les résultats. Les chercheurs ont noté que, bien que les versions à quatre qubits de leur test aient été trop bruitées sur certaines machines pour tirer des conclusions fermes, les tests à deux qubits étaient clairs et décisifs.

Cette étude démontre que le chemin vers une informatique quantique fiable nécessite plus que de meilleurs matériels ; cela nécessite un moyen de vérifier que les logiciels et le matériel fonctionnent correctement ensemble. Les chercheurs ont montré qu'en traitant les différents cadres logiciels et les différentes machines comme des versions indépendantes d'un même test, ils pouvaient isoler des défaillances qui resteraient autrement cachées. Ils ont signalé les trois défauts qu'ils ont trouvés, et le fournisseur du service cloud a déjà confirmé et corrigé son erreur. Les deux autres problèmes concernant l'adaptateur de Quantum Inspire sont toujours en cours d'examen. Ce travail suggère qu'à mesure que l'informatique quantique passe du laboratoire au monde réel, ce genre de vérification croisée sera essentiel pour garantir que les réponses que nous obtenons sont réellement exactes.