Innovation
Microsoft annonce aujourd’hui Majorana 1, la première puce quantique au monde reposant sur une nouvelle architecture à cœur topologique. Cette avancée pourrait permettre aux ordinateurs quantiques de résoudre des problèmes à grande échelle dans quelques années, au lieu de plusieurs décennies.
Cette innovation repose sur le premier topoconducteur au monde, un matériau révolutionnaire capable d’observer et de contrôler les particules de Majorana pour produire des qubits plus fiables et plus évolutifs, qui sont des éléments fondamentaux pour les ordinateurs quantiques.
De la même manière que l’invention des semi-conducteurs a permis l’existence des smartphones, des ordinateurs et des appareils électroniques modernes, les topoconducteurs et la création de nouvelles puces qu’ils rendent possible offrent une voie vers des systèmes quantiques évolutifs jusqu’à un million de qubits, capables de relever les défis industriels et sociétaux les plus complexes, selon Microsoft.
« Nous avons pris du recul et nous nous sommes demandé : ‘Ok, inventons le transistor de l’ère quantique. Quelles propriétés doit-il avoir ?’, » explique Chetan Nayak, chercheur émérite chez Microsoft. « Et c’est ainsi que nous en sommes arrivés là : c’est la combinaison spécifique, la qualité et les détails cruciaux de notre nouvel empilage de matériaux qui ont permis la création d’un nouveau type de qubit et, en fin de compte, de toute notre architecture. »
Grâce à cette nouvelle architecture, le processeur Majorana 1 ouvre une voie claire pour intégrer un million de qubits sur une seule puce tenant dans la paume de la main. Cette étape est cruciale pour que les ordinateurs quantiques puissent offrir des solutions réelles et transformatrices, comme la décomposition des microplastiques en sous-produits inoffensifs ou la création de matériaux auto-réparateurs destinés à la construction, à l’industrie manufacturière et à la santé. Aujourd’hui, même en réunissant l’ensemble des ordinateurs classiques du monde, ils ne pourraient pas accomplir ce qu’un ordinateur quantique d’un million de qubits sera capable de faire.
« Tout projet dans le domaine quantique doit se diriger vers le million de qubits. Sans cela, il se heurtera à une impasse avant même d’atteindre une échelle où il pourrait résoudre des problèmes réellement importants », affirme Nayak. « Nous avons réussi à définir ce chemin vers ce million de qubits. »
Le topoconducteur, ou superconducteur topologique, appartient à une catégorie spéciale de matériaux capable de créer un état de la matière totalement nouveau – ni solide, ni liquide, ni gazeux, mais un état topologique. Ce nouvel état permet de produire des qubits plus stables, qui soient rapides, de petite taille et contrôlables numériquement, sans les compromis imposés par les technologies existantes. Un nouvel article publié ce jour dans la revue Nature décrit comment les chercheurs de Microsoft ont non seulement réussi à créer les propriétés quantiques exotiques des qubits topologiques, mais aussi à les mesurer avec précision, une étape essentielle pour l’informatique quantique concrète.
Cette avancée a nécessité le développement d’un nouvel empilage de matériaux constituée d’arséniure d’indium et d’aluminium, conçu et fabriqué atome par atome par Microsoft. L’objectif était de provoquer l’apparition des particules de Majorana et d’exploiter leurs propriétés uniques pour dépasser un nouveau cap dans l’informatique quantique, selon Microsoft.
Le premier cœur topologique au monde qui alimente Majorana 1, est conçu pour être intrinsèquement fiable, incorporant une résistance aux erreurs au niveau matériel, ce qui le rend plus stable.
L’informatique quantique appliquée nécessitera également des trillions d’opérations sur un million de qubits, un défi insurmontable avec les méthodes actuelles, qui reposent sur un contrôle analogique précis de chaque qubit. La nouvelle approche de l’équipe de Microsoft permet de contrôler les qubits numériquement, redéfinissant et simplifiant considérablement le fonctionnement des ordinateurs quantiques.
Cette avancée valide le choix de Microsoft, fait il y a plusieurs années, de se concentrer sur la conception d’un qubit topologique – un défi scientifique et technique à haut risque mais scientifiquement gratifiant, qui commence aujourd’hui à porter ses fruits. Aujourd’hui, Microsoft a réussi à placer huit qubits topologiques sur une puce conçue pour évoluer jusqu’à un million de qubits.
« Dès le départ, notre objectif était de créer un ordinateur quantique ayant un impact concret, et pas seulement de démontrer un leadership intellectuel », déclare Matthias Troyer, chercheur émérite chez Microsoft. « Nous savions qu’il nous fallait un nouveau type de qubit et une échelle inédite. »
C’est cette approche qui a conduit la DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), une agence fédérale américaine investissant dans les technologies de rupture essentielles à la sécurité nationale, à sélectionner Microsoft pour un programme d’évaluation rigoureux visant à accélérer le développement de systèmes quantiques viables d’un point de vue industriel.
Microsoft est désormais l’une des deux seules entreprises invitées à participer à la phase finale du programme US2QC (Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing), un volet de l’initiative plus large Quantum Benchmarking de la DARPA. Ce programme vise à développer le premier ordinateur quantique tolérant aux erreurs à grande échelle, dont la valeur computationnelle dépasserait les coûts d’exploitation.
« Cela vous donne simplement la réponse »
En plus de développer son propre matériel quantique, Microsoft s’est associé à Quantinuum et Atom Computing pour atteindre des avancées scientifiques et techniques avec les qubits actuels, notamment avec l’annonce, l’an dernier, du premier ordinateur quantique fiable du marché.
Ces types de machines offrent des opportunités importantes pour développer des compétences en informatique quantique, créer des applications hybrides et favoriser de nouvelles découvertes, en particulier à mesure que l’IA est combinée à de nouveaux systèmes quantiques qui seront alimentés par un plus grand nombre de qubits fiables. Aujourd’hui, Azure Quantum propose une suite de solutions intégrées permettant aux clients de Microsoft de tirer parti des plateformes avancées d’IA, de calcul haute performance et de quantique sur Azure afin de faire progresser la découverte scientifique.
Mais atteindre la prochaine étape de l’informatique quantique nécessitera une architecture capable de fournir un million de qubits ou plus et d’effectuer des milliards d’opérations rapides et fiables. L’annonce d’aujourd’hui rapproche cet horizon de quelques années, et non de plusieurs décennies, selon 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 en passant par les énergies enzymatiques – les ordinateurs quantiques à un million de qubits devraient être capables de résoudre certains problèmes en chimie, en science des matériaux et dans d’autres industries, qui sont impossibles à calculer précisément avec les ordinateurs classiques d’aujourd’hui.
- Par exemple, ils pourraient aider à résoudre la question complexe de la chimie des matériaux : pourquoi certains matériaux subissent-ils la corrosion ou développent-ils des fissures ? Cela pourrait conduire à la mise au point de matériaux autoréparants capables de colmater les fissures dans les ponts, les pièces d’avion, les écrans de téléphone brisés ou les portières de voiture rayées.
- Comme il existe une grande variété de plastiques, il n’est actuellement pas possible de trouver un catalyseur universel capable de les décomposer – un enjeu particulièrement crucial pour le nettoyage des microplastiques ou la lutte contre la pollution carbone. L’informatique quantique pourrait permettre de calculer les propriétés de tels catalyseurs afin de transformer les polluants en sous-produits utiles ou de développer dès le départ des alternatives non toxiques.
- Les enzymes, un type de catalyseur biologique, pourraient être exploitées plus efficacement dans les domaines de la santé et de l’agriculture, grâce à des calculs précis sur leur comportement que seule l’informatique quantique peut fournir. Cela pourrait mener à des avancées majeures pour éradiquer la faim dans le monde : améliorer la fertilité des sols pour accroître les rendements agricoles ou favoriser la croissance durable des cultures dans des climats difficiles.
Avant tout, l’informatique quantique permettra aux ingénieurs, aux scientifiques, aux entreprises et à d’autres acteurs de concevoir des innovations correctement dès la première tentative – ce qui serait une révolution dans des domaines allant de la santé au développement de produits. La puissance de l’informatique quantique, combinée aux outils d’IA, permettrait à une personne de décrire en langage simple le nouveau matériau ou la nouvelle molécule qu’elle souhaite créer et d’obtenir immédiatement une réponse fonctionnelle – sans approximations ni années d’essais ou d’erreurs.
« Toute entreprise qui fabrique quoi que ce soit pourrait simplement le concevoir parfaitement dès le départ. Cela vous donnerait directement la réponse », a déclaré Matthias Troyer. « L’ordinateur quantique apprend à l’IA le langage de la nature, afin que l’IA puisse simplement vous donner la recette de ce que vous voulez créer. »
Repenser l’informatique quantique à l’échelle
Le monde quantique obéit aux lois de la mécanique quantique, qui ne sont pas les mêmes lois physiques que celles régissant le monde visible. Les particules utilisées en informatique quantique sont appelées qubits, ou bits quantiques, par analogie avec les bits – les 0 et 1 – que les ordinateurs utilisent aujourd’hui.
Les qubits sont capricieux et extrêmement sensibles aux perturbations et aux erreurs causées par leur environnement, ce qui les fait s’effondrer et entraîne la perte d’informations. Leur état peut également être affecté par la mesure – un problème, car la mesure est essentielle pour le calcul. L’un des défis fondamentaux est donc de développer un qubit qui puisse être mesuré et contrôlé tout en étant protégé contre le bruit environnemental qui le perturbe.
Les qubits peuvent être créés de différentes manières, chacune présentant des avantages et des inconvénients. Il y a près de vingt ans, Microsoft a choisi de suivre une approche unique : développer des qubits topologiques, estimant qu’ils offriraient une plus grande stabilité et nécessiteraient moins de correction d’erreur, débloquant ainsi des avantages en matière de vitesse, de taille et de contrôle. Cette approche impliquait une courbe d’apprentissage abrupte, nécessitant des percées scientifiques et techniques inédites, mais elle représentait également la voie la plus prometteuse pour créer des qubits évolutifs et contrôlables capables de réaliser des calculs à valeur industrielle.
L’inconvénient est – ou plutôt était – que les particules exotiques que Microsoft cherchait à utiliser, appelées Majoranas, n’avaient jamais été observées ni créées auparavant. Elles n’existent pas naturellement et ne peuvent être générées qu’en combinant des champs magnétiques et des supraconducteurs. La difficulté de développer les bons matériaux pour créer ces particules exotiques et leur état topologique est la raison pour laquelle la plupart des efforts en informatique quantique se sont concentrés sur d’autres types de qubits.
L’article publié dans Nature apporte une confirmation par des pairs que Microsoft a non seulement réussi à créer des particules de Majorana – qui aident à protéger l’information quantique contre les perturbations aléatoires – mais qu’il est également capable de mesurer ces informations 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 méthode de mesure développée par l’équipe de Microsoft est si précise qu’elle peut détecter la différence entre un milliard et un milliard et un électrons dans un fil supraconducteur – informant l’ordinateur de l’état du qubit et de poser les bases du calcul quantique.
Ces mesures peuvent être activées et désactivées par des impulsions de tension, comme un interrupteur, plutôt que d’exiger un réglage précis pour chaque qubit individuel. Cette approche de mesure simplifiée, qui permet un contrôle numérique, facilite le processus de calcul quantique ainsi que les exigences physiques pour construire une machine évolutive.
Le qubit topologique de Microsoft présente également un avantage en termes de taille par rapport aux autres qubits. Même à cette échelle minuscule, il existe une « zone idéale », explique Matthias Troyer : un qubit trop petit est difficile à connecter aux lignes de contrôle, tandis qu’un qubit trop grand nécessiterait une machine gigantesque. Ajouter la technologie de contrôle individualisé pour ces types de qubits nécessiterait la construction d’un ordinateur impraticable de la taille d’un hangar d’avion ou d’un terrain de football.
Majorana 1, la puce quantique de Microsoft contenant à la fois des qubits et l’électronique de contrôle associée, tient dans la paume d’une main et s’intègre parfaitement dans un ordinateur quantique facilement déployable dans les centres de données Azure.
« Découvrir un nouvel état de la matière est une chose », a déclaré Chetan Nayak. « L’exploiter pour repenser l’informatique quantique à grande échelle en est une autre. »
Concevoir des matériaux quantiques atome par atome
L’architecture du qubit topologique de Microsoft repose sur des nanofils d’aluminium assemblés pour former un H. Chaque H contient quatre Majoranas contrôlables et constitue un qubit. Ces H peuvent également être interconnectés et disposés sur la puce comme des tuiles.
« C’est une approche complexe dans la mesure où nous avons dû démontrer un nouvel état de la matière pour y parvenir, mais après cela, c’est relativement simple. La structure s’agence comme du carrelage. Cette architecture beaucoup plus simple promet une montée en échelle bien plus rapide », a déclaré Krysta Svore, Technical Fellow chez Microsoft.
La puce quantique ne fonctionne pas seule. Elle fait partie d’un écosystème comprenant une logique de contrôle, un réfrigérateur à dilution maintenant les qubits à des températures bien plus froides que l’espace extra-atmosphérique, ainsi qu’une couche logicielle capable de s’intégrer aux systèmes d’IA et aux ordinateurs classiques. Tous ces éléments existent déjà, conçus ou modifiés entièrement en interne, précise Krysta Svore.
Bien sûr, affiner ces processus et faire fonctionner tous ces éléments ensemble à grande échelle nécessitera encore plusieurs années de travail d’ingénierie. Mais selon Microsoft, de nombreux défis scientifiques et techniques complexes ont déjà été relevés.
L’un des plus grands défis a été de maîtriser l’empilement des matériaux afin d’obtenir un état topologique de la matière, ajoute Krysta Svore. Plutôt que d’utiliser du silicium, Microsoft a misé sur un topoconducteur en arséniure d’indium, un matériau actuellement utilisé dans des applications telles que les détecteurs infrarouges et qui possède des propriétés spécifiques. Ce semi-conducteur est combiné à un état supraconducteur grâce aux températures extrêmes, créant ainsi un hybride.
« Nous procédons littéralement par pulvérisation atome par atome. Ces matériaux doivent s’aligner parfaitement. S’il y a trop de défauts dans l’empilement, cela détruit simplement le qubit », a expliqué Krysta Svore.
« Ironiquement, c’est aussi la raison pour laquelle nous avons besoin d’un ordinateur quantique – car comprendre ces matériaux est extrêmement complexe. Avec un ordinateur quantique évolutif, nous serons capables de prédire des matériaux aux propriétés encore meilleures pour construire la prochaine génération d’ordinateurs quantiques, au-delà de l’échelle actuelle », a-t-elle ajouté.
Liens complémentaires :
Lancement de Microsoft Marjorana 1