L'ambition quantique de Microsoft : Un million de qubits dans la main

Microsoft a annoncé une percée dans le domaine de l'informatique quantique, en dévoilant une unité de traitement quantique utilisant un matériau inédit pour créer un « type de qubit radicalement différent ». Le Majorana 1 - nommé en référence à la quasi-particule de Majorana - est conçu pour atteindre un million de qubits sur une seule puce. L'objectif est de ramener de quelques dizaines d'années à quelques années le délai de mise au point de systèmes quantiques pratiques, fiables et à grande échelle. Cette dernière puce utilise un nouvel état de la matière. Au lieu d'être solide, liquide ou gazeuse, elle se trouve dans un état topologique. Cette percée a nécessité la mise au point d'un nouveau matériau composé d'arséniure d'indium et d'aluminium, que la firme de Redmond a conçu et fabriqué atome par atome.

Les qubits topologiques basés sur Majorana sont une approche que Microsoft poursuit depuis 20 ans. Les qubits topologiques devraient être plus stables que les qubits traditionnels. C'est un peu comme un nœud dans une corde qui reste en place même si quelqu'un tire sur la corde - c'est la propriété topologique du nœud lui-même qui le maintien en place. Nous avons pris du recul et nous nous sommes dit : « D'accord, inventons le transistor de l'ère quantique. Quelles propriétés doit-il avoir ? », a déclaré Chetan Nayak, membre du groupe technique de Microsoft,. La stabilité et la fiabilité sont essentielles au bon fonctionnement de l'informatique quantique. « Quoi que vous fassiez dans l'espace quantique, vous devez pouvoir accéder à un million de qubits. Si ce n'est pas le cas, vous vous heurterez à un mur avant d'atteindre l'échelle à laquelle vous pourrez résoudre les problèmes vraiment importants qui nous motivent », a déclaré M. Nayak. « Nous avons en fait trouvé un moyen d'atteindre le million.

Des corrections d'erreurs moins chères avec les qubits topologiques

Les qubits traditionnels sont extrêmement vulnérables à toute modification de leur environnement, ce qui rend difficile la mise à l'échelle d'un ordinateur quantique et nécessitent également des commandes analogiques. En comparaison les qubits topologiques peuvent être contrôlés numériquement et coûtent dix fois moins cher selon Microsoft en correction d'erreur. « Les résultats sont réels », déclare Gabriel Aeppli, chef de la division de la science des photons de l'Institut Paul Scherrer en Suisse et professeur de physique à l'ETH Zurich. « En principe, les approches topologiques de l'informatique quantique sont numériques et devraient mieux s'adapter que les approches plus conventionnelles, qui peuvent être considérées comme analogiques.

Détail de la puce Majorana 1 de Microsoft. (crédit : John Brecher pour Microsoft)

La firme a publié dans la revue Nature un article décrivant comment les propriétés quantiques des qubits topologiques ont été créées et comment les chercheurs ont pu les mesurer. Le principe est le suivant : quatre Majorana contrôlables sont assemblés pour former la lettre « H » à l'aide de nanofils d'aluminium. Ensuite, ces H individuels peuvent être connectés et posés sur une puce, comme des carreaux de sol. « C'est complexe dans la mesure où nous avons dû montrer un nouvel état de la matière pour y parvenir, mais après cela, c'est assez simple. C'est du carrelage. Vous avez cette architecture beaucoup plus simple qui promet un passage à l'échelle beaucoup plus rapide », a expliqué Krysta Svore, responsable technique de Microsoft. Les puces elles-mêmes sont ensuite associées à une logique de contrôle et à un refroidisseur qui maintient l'ensemble du système à une température inférieure à celle de l'espace. Enfin, une pile de logiciels est utilisée pour programmer la puce et pour se connecter à l'IA et aux ordinateurs classiques - et toutes ces pièces individuelles existent déjà, a déclaré M. Svore. Cependant, il faudra des années de travail d'ingénierie pour que tout fonctionne ensemble à grande échelle, indique Microsoft.

Entre-temps, les entreprises peuvent déjà expérimenter la logique quantique en accédant à des simulateurs et à des ordinateurs quantiques réels - à petite échelle - par l'intermédiaire de diverses plateformes d'informatique quantique. Microsoft, Amazon, Google et IBM, entre autres, proposent tous une informatique quantique basée sur le cloud. Majorana 1 peut être « facilement déployé dans les centres de données Azure », a déclaré Microsoft. Toutefois, l'entreprise n'a pas précisé quand l'ordinateur serait commercialisé ni ce qu'il serait capable de faire que les autres ordinateurs quantiques ne peuvent pas faire. L'annonce d'aujourd'hui prouve seulement qu'un qubit topologique peut être construit.

Des opérations quantiques à l'échelle pas avant 2033

« Avec les éléments de base maintenant démontrés - l'information quantique encodée dans les MZM [Majorana zero mode ou mode zéro de Majorana], protégée par la topologie et traitée par des mesures - nous sommes prêts à passer de la percée physique à la mise en œuvre pratique », a écrit M. Nayak. Maintenant que l'entreprise a réussi à démontrer le premier qubit topologique au monde, la prochaine étape est de commencer à construire une architecture évolutive autour de ce qubit, selon M. Nayak. Un système à deux qubits démontrera l'intrication. Ensuite, un réseau de huit qubits sera utilisé pour mettre en œuvre la détection d'erreurs sur deux qubits logiques. Selon Sankar Das Sarma, professeur de physique quantique à l'université du Maryland, cette percée est réelle et constitue un énorme succès technique. « Mais il reste encore beaucoup d'améliorations à apporter avant de pouvoir affirmer avec certitude qu'elle débouchera sur un ordinateur quantique commercial. » L'unique qubit de Majorana de Microsoft est loin derrière ce que d'autres entreprises quantiques ont mis en place. IBM, par exemple, dispose d'un processeur quantique de 156 qubits.

Mais le nombre de qubits est en fait une mesure mineure, explique Das Sarma à NetworkWorld. « Ce qui compte davantage, c'est l'absence d'erreurs dans les qubits. Les qubits de Microsoft sont intrinsèquement exempts d'erreurs, ce qui leur confère des avantages uniques. Bien sûr, ils doivent passer à l'échelle supérieure et il est possible qu'ils y parviennent. Nous verrons bien ». En théorie, du moins, les nouveaux qubits topologiques seront non seulement capables d'évoluer plus rapidement, mais aussi de le faire de manière plus fiable et de prendre beaucoup moins de place que les principales solutions actuelles, selon Microsoft. « L'évolutivité est absolument réelle puisqu'il s'agit de minuscules fils semi-conducteurs », explique Das Sarma. « Il s'adapte mieux que la plupart des autres plates-formes d'informatique quantique. En fait, la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) a sélectionné Microsoft comme l'une des deux seules entreprises à passer à la phase finale de son programme d'évaluation de l'informatique quantique, qui vise à réaliser des opérations quantiques à l'échelle d'utilité publique d'ici 2033. Microsoft ne va pas chômer avant d'en arriver là. En 2018, les chercheurs de Microsoft avaient éjà publié un article sur Majorana avant de faire machine arrière, et certains chercheurs ont douté que les insaisissables quasi-particules de Majorana puissent jamais être exploitées dans des qubits. Mais le fournisseur a poursuivi ses recherches et, en 2022, a finalement pu démontrer l'existence des modes zéro de Majorana, théorisés pour la première fois en 1937.

Les modes zéro de Majorana sont des quasi-particules qui sont leurs propres antiparticules. Plus précisément, il s'agit d'un type d'anyon, une quasi-particule qui existe en deux dimensions et qui, lorsqu'elle est tressée, peut effectuer des opérations quantiques approximatives. Il s'agit là d'une physique de pointe, incroyablement difficile à comprendre, et encore plus à calculer et à transformer en dispositifs fonctionnels. « Ironiquement, c'est aussi la raison pour laquelle nous avons besoin d'un système quantique, parce qu'il est incroyablement difficile de comprendre ces matériaux », a déclaré M. Svore. « Nous serons en mesure de prédire des matériaux aux propriétés encore meilleures pour construire la prochaine génération d'ordinateurs quantiques aux capacités bien supérieures. »