Par Catherine Bolgar
Microsoft a présenté aujourd’hui Majorana 1, la première puce quantique au monde alimentée par une nouvelle architecture de cœur topologique, qui, selon l’entreprise, permettra de réaliser des ordinateurs quantiques capables de résoudre des problèmes industriels significatifs en quelques années, et non en décennies.
Elle utilise le premier topoconducteur au monde, un type de matériau révolutionnaire capable d’observer et de contrôler les particules de Majorana pour produire des qubits plus fiables et évolutifs, qui sont les éléments constitutifs des ordinateurs quantiques.
De la même manière que l’invention des semi-conducteurs a rendue possible les téléphones intelligents , ordinateurs et appareils électroniques d’aujourd’hui, les topoconducteurs et le nouveau type de puce qu’ils permettent d’utiliser offrent une voie pour développer des systèmes quantiques pouvant évoluer jusqu’à un million de qubits et capables de s’attaquer aux problèmes industriels et sociétaux les plus complexes, a déclaré Microsoft.
« Nous avons pris du recul et nous nous sommes dit. Ok, inventons le transistor pour l’ère quantique. Quelles propriétés doit-il avoir ?’ », a déclaré Chetan Nayak, membre technique de Microsoft. « Et c’est vraiment ainsi que nous en sommes arrivés là, c’est la combinaison particulière, la qualité et les détails importants de notre nouvelle pile de matériaux qui ont permis un nouveau type de qubit et, en fin de compte, toute notre architecture. »
Cette nouvelle architecture utilisée pour développer le processeur Majorana 1 offre une voie claire pour intégrer un million de qubits sur une seule puce qui tient dans la paume de la main, a déclaré Microsoft. C’est un seuil nécessaire pour que les ordinateurs quantiques puissent offrir des solutions réelles et transformantes, comme décomposer les microplastiques en sous-produits inoffensifs ou inventer des matériaux autoréparateurs pour la construction, la fabrication ou les soins de santé. Tous les ordinateurs actuels du monde réunis ne peuvent pas faire ce qu’un ordinateur quantique d’un million de qubits pourra faire.
« Tout ce que vous faites dans le domaine quantique doit avoir une voie vers un million de qubits. Si ce n’est pas le cas, vous allez vous heurter à un mur avant d’atteindre l’échelle à laquelle vous pouvez résoudre les problèmes vraiment importants qui nous motivent », a déclaré Nayak. « Nous avons en fait tracé une voie vers un million. »
Le topoconducteur, ou supraconduction topologique, est une catégorie spéciale de matériau capable de créer un état de matière entièrement nouveau, ni solide, ni liquide, ni gaz, mais un état topologique. Cela permet de produire un qubit plus stable, rapide, petit et contrôlable numériquement, sans les compromis requis par les alternatives actuelles. Un nouvel article publié mercredi dans Nature explique comment les chercheurs de Microsoft ont pu créer les propriétés quantiques exotiques du qubit topologique et les mesurer avec précision, une étape essentielle pour l’informatique pratique.
Cette percée a nécessité le développement d’une pile de matériaux entièrement nouvelle composée d’arséniure d’indium et d’aluminium, dont une grande partie a été conçue et fabriquée atome par atome par Microsoft. L’objectif était de faire apparaître de nouvelles particules quantiques appelées Majoranas et de tirer parti de leurs propriétés uniques pour atteindre le prochain horizon de l’informatique quantique, a déclaré Microsoft.
Le premier cœur topologique au monde alimentant le Majorana 1 est fiable par conception, incorporant une résistance aux erreurs au niveau matériel, ce qui le rend plus stable.
Les applications commercialement importantes nécessiteront également des trillions d’opérations sur un million de qubits, ce qui serait prohibitif avec les approches actuelles qui reposent sur un contrôle analogique finement ajusté de chaque qubit. La nouvelle approche de mesure de l’équipe de Microsoft permet de contrôler les qubits numériquement, redéfinissant et simplifiant considérablement le fonctionnement de l’informatique quantique.
Ce progrès valide le choix de Microsoft, fait il y a des années, de poursuivre une conception de qubit topologique, un défi scientifique et technique à haut risque et à haute récompense qui porte maintenant ses fruits. Aujourd’hui, l’entreprise a placé huit qubits topologiques sur une puce conçue pour évoluer jusqu’à un million.
« Dès le départ, nous voulions créer un ordinateur quantique pour un impact commercial, pas seulement pour le leadership intellectuel », a déclaré Matthias Troyer, membre technique de Microsoft. « Nous savions que nous avions besoin d’un nouveau qubit. Nous savions que nous devions évoluer. »
Cette approche a conduit la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), une agence fédérale qui investit dans les technologies révolutionnaires importantes pour la sécurité nationale, à inclure Microsoft dans un programme rigoureux visant à évaluer si les technologies innovantes de l’informatique quantique pourraient construire des systèmes quantiques commercialement pertinents plus rapidement que ce que l’on croyait possible.
Microsoft est maintenant l’une des deux entreprises invitées à passer à la phase finale du programme Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC) de la DARPA, l’un des programmes qui composent l’initiative Quantum Benchmarking de la DARPA, qui vise à fournir le premier ordinateur quantique tolérant aux pannes à l’échelle industrielle, ou un ordinateur dont la valeur computationnelle dépasse ses coûts.
« Il vous donne simplement la réponse »
En plus de fabriquer son propre matériel quantique, Microsoft s’est associé à Quantinuum et Atom Computing pour atteindre des percées scientifiques et techniques avec les qubits actuels, y compris l’annonce l’année dernière du premier ordinateur quantique fiable de l’industrie.
Ces types de machines offrent des opportunités importantes pour développer des compétences quantiques, construire des applications hybrides et stimuler de nouvelles découvertes, en particulier lorsque l’IA est combinée avec de nouveaux systèmes quantiques qui seront alimentés par un plus grand nombre de qubits fiables. Aujourd’hui, Azure Quantum offre une suite de solutions intégrées permettant aux clients de tirer parti de ces plateformes d’IA, de calcul haute performance et quantiques de pointe dans Azure pour faire avancer la découverte scientifique.
Néanmoins atteindre le prochain horizon de l’informatique quantique nécessitera une architecture quantique capable de fournir un million de qubits ou plus et d’atteindre des trillions d’opérations rapides et fiables. L’annonce d’aujourd’hui place cet horizon dans quelques années, et non des décennies, a déclaré Microsoft.
Parce qu’ils peuvent utiliser la mécanique quantique pour cartographier mathématiquement le comportement de la nature avec une précision incroyable, des réactions chimiques aux interactions moléculaires et aux énergies enzymatiques, les machines à un million de qubits devraient être capables de résoudre certains types de problèmes en chimie, en science des matériaux et dans d’autres industries que les ordinateurs classiques d’aujourd’hui ne peuvent pas calculer avec précision.
- Par exemple, elles pourraient aider à résoudre la question chimique difficile de savoir pourquoi les matériaux souffrent de corrosion ou de fissures. Cela pourrait conduire à des matériaux autoréparateurs qui réparent les fissures dans les ponts ou les pièces d’avion, les écrans de téléphone brisés ou les portes de voiture rayées.
- Parce qu’il existe tellement de types de plastiques, il n’est actuellement pas possible de trouver un catalyseur universel capable de les décomposer, particulièrement important pour nettoyer les microplastiques ou lutter contre la pollution par le carbone. L’informatique quantique pourrait calculer les propriétés de tels catalyseurs pour décomposer les polluants en sous-produits précieux ou développer des alternatives non toxiques dès le départ.
- Les enzymes, un type de catalyseur biologique, pourraient être exploitées plus efficacement dans les soins de santé et l’agriculture, grâce à des calculs précis sur leur comportement que seule l’informatique quantique peut fournir. Cela pourrait conduire à des percées aidant à éradiquer la faim dans le monde : améliorer la fertilité des sols pour augmenter les rendements ou promouvoir la croissance durable des aliments dans des climats difficiles.
Surtout, l’informatique quantique permettra aux ingénieurs, scientifiques, entreprises et autres de simplement concevoir les choses correctement dès la première fois, ce qui serait transformateur pour tout, des soins de santé au développement de produits. La puissance de l’informatique quantique, combinée aux outils d’IA, permettrait à quelqu’un de décrire le type de nouveau matériau ou de molécule qu’il souhaite créer en langage clair et d’obtenir une réponse qui fonctionne immédiatement, sans tâtonnements ni années d’essais et d’erreurs.
« Toute entreprise qui fabrique quoi que ce soit pourrait simplement le concevoir parfaitement dès la première fois. Il vous donnerait simplement la réponse », a déclaré Troyer. « L’ordinateur quantique enseigne à l’IA le langage de la nature afin que l’IA puisse simplement vous donner la recette de ce que vous voulez fabriquer. »
Repenser l’informatique quantique à grande échelle
Le monde quantique fonctionne selon les lois de la mécanique quantique, qui ne sont pas les mêmes lois de la physique qui régissent le monde que nous voyons. Les particules sont appelées qubits, ou bits quantiques, analogues aux bits, ou uns et zéros, que les ordinateurs utilisent actuellement.
Les qubits sont capricieux et très sensibles aux perturbations et aux erreurs provenant de leur environnement, ce qui les fait se désintégrer et perdre des informations. Leur état peut également être affecté par la mesure, ce qui pose un problème car la mesure est essentielle pour l’informatique. Un défi inhérent est de développer un qubit qui peut être mesuré et contrôlé, tout en offrant une protection contre le bruit environnemental qui les corrompt.
Les qubits peuvent être créés de différentes manières, chacune avec ses avantages et ses inconvénients. Il y a près de 20 ans, Microsoft a décidé de poursuivre une approche unique : développer des qubits topologiques, qu’il croyait offrir des qubits plus stables nécessitant moins de correction d’erreurs, débloquant ainsi des avantages en termes de vitesse, de taille et de contrôlabilité. L’approche posait une courbe d’apprentissage abrupte, nécessitant des percées scientifiques et techniques inexplorées, mais aussi la voie la plus prometteuse pour créer des qubits évolutifs et contrôlables capables d’effectuer un travail commercialement précieux.
L’inconvénient est ou était que, jusqu’à récemment, les particules exotiques que Microsoft cherchait à utiliser, appelées Majoranas, n’avaient jamais été vues ou fabriquées. Elles n’existent pas dans la nature et ne peuvent être coaxées à exister qu’avec des champs magnétiques et des supraconducteurs. La difficulté de développer les bons matériaux pour créer les particules exotiques et leur état de matière topologique associé est la raison pour laquelle la plupart des efforts quantiques se sont concentrés sur d’autres types de qubits.
L’article de Nature marque la confirmation par les pairs que Microsoft a non seulement été capable de créer des particules de Majorana, qui aident à protéger l’information quantique des perturbations aléatoires, mais peut également mesurer cette information de manière fiable en utilisant des micro-ondes.
Les Majoranas cachent l’information quantique, la rendant plus robuste, mais aussi plus difficile à mesurer. La nouvelle approche de mesure de l’équipe de Microsoft est si précise qu’elle permet de détecter la différence entre un milliard et un milliard et un électron dans un fil supraconducteur, ce qui indique à l’ordinateur dans quel état se trouve le qubit et forme la base de l’informatique quantique.
Les mesures peuvent être activées et désactivées avec des impulsions de tension, comme allumer un interrupteur, plutôt que d’ajuster finement les cadrans pour chaque qubit individuel. Cette approche de mesure plus simple qui permet un contrôle numérique simplifie le processus d’informatique quantique et les exigences physiques pour construire une machine évolutive.
Le qubit topologique de Microsoft a également un avantage sur les autres qubits en raison de sa taille. Même pour quelque chose d’aussi petit, il y a une zone « Goldilocks », où un qubit trop petit est difficile à connecter aux lignes de contrôle, mais un qubit trop grand nécessite une machine énorme, a déclaré Troyer. L’ajout de la technologie de contrôle individualisée pour ces types de qubits nécessiterait de construire un ordinateur impraticable de la taille d’un hangar d’avion ou d’un terrain de football.
Majorana 1, la puce quantique de Microsoft qui contient à la fois des qubits et des électroniques de contrôle environnantes, peut être tenue dans la paume de la main et s’intègre parfaitement dans un ordinateur quantique qui peut être facilement déployé dans les centres de données Azure.
« C’est une chose de découvrir un nouvel état de matière », a déclaré Nayak. « C’en est une autre de tirer parti de cela pour repenser l’informatique quantique à grande échelle. »
Concevoir des matériaux quantiques atome par atome
L’architecture de qubit topologique de Microsoft se compose de nanofils d’aluminium assemblés pour former un H. Chaque H a quatre Majoranas contrôlables et forme un qubit. Ces H peuvent également être connectés et disposés sur la puce comme autant de tuiles.
« C’est complexe en ce sens que nous avons dû montrer un nouvel état de matière pour y parvenir, mais après cela, c’est assez simple. Cela se déploie. Vous avez cette architecture beaucoup plus simple qui promet une voie beaucoup plus rapide vers l’échelle », a déclaré Krysta Svore, membre technique de Microsoft.
La puce quantique ne fonctionne pas seule. Elle existe dans un écosystème avec une logique de contrôle, un réfrigérateur à dilution qui maintient les qubits à des températures beaucoup plus froides que l’espace extérieur et une pile logicielle qui peut s’intégrer avec l’IA et les ordinateurs classiques. Tous ces éléments existent, construits ou modifiés entièrement en interne, a-t-elle déclaré.
Pour être clair, continuer à affiner ces processus et à faire fonctionner tous les éléments ensemble à une échelle accélérée nécessitera encore des années de travail d’ingénierie. Toutefois, de nombreux défis scientifiques et techniques difficiles ont maintenant été relevés, a déclaré Microsoft.
Obtenir la pile de matériaux adéquate pour produire un état de matière topologique était l’une des parties les plus difficiles, a ajouté Svore. Au lieu de silicium, le topoconducteur de Microsoft est composé d’arséniure d’indium, un matériau actuellement utilisé dans des applications telles que les détecteurs infrarouges et qui possède des propriétés spéciales. Le semi-conducteur est marié à la supraconductivité, grâce au froid extrême, pour créer un hybride.
« Nous pulvérisons littéralement atome par atome. Ces matériaux doivent s’aligner parfaitement. S’il y a trop de défauts dans la pile de matériaux, cela tue simplement votre qubit », a déclaré Svore.
« Ironiquement, c’est aussi pourquoi nous avons besoin d’un ordinateur quantique, parce que comprendre ces matériaux est incroyablement difficile. Avec un ordinateur quantique évolué, nous serons capables de prédire des matériaux avec des propriétés encore meilleures pour construire la prochaine génération d’ordinateurs quantiques au-delà de l’échelle », a-t-elle déclaré.
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