Microsoft a annoncé l’arrivée de Majorana 1, une nouvelle puce quantique qui produit des qubits plus fiables et évolutifs que ses prédécesseurs. Les qubits sont les éléments constitutifs des ordinateurs quantiques.
Le géant de la technologie considère que Majorana 1 est une étape majeure sur la voie de l’avenir de l’informatique quantique utile. Dans un podcast sur YouTube, Satya Nadella, PDG de Microsoft, a déclaré que la société serait en mesure de construire des ordinateurs quantiques à usage commercial entre 2027 et 2029.
La prétendue percée de Microsoft repose sur la conception d’un nouveau type de quasi-particule connue sous le nom de Majorana. Ces particules Majorana ont été fabriquées à l’aide de conducteurs topologiques, ce qui a permis d’obtenir des qubits qui existent dans un état topologique, qui diffère des états traditionnels de la matière tels que le solide, le liquide et le gaz.
« De la même manière que l’invention des semi-conducteurs a rendu possibles les smartphones, les ordinateurs et l’électronique d’aujourd’hui, les topoconducteurs et le nouveau type de puce qu’ils permettent offrent une voie pour développer des systèmes quantiques pouvant atteindre un million de qubits et capables de s’attaquer aux problèmes industriels et sociétaux les plus complexes », a déclaré Microsoft dans un article de blog publié le mercredi 19 février.
Cependant, la société n’a pas encore publié de données sur les performances de sa puce quantique.
Ce que nous savons de Majorana 1
Au cours des 20 dernières années, les chercheurs de Microsoft ont adopté une approche unique en se concentrant sur le développement de qubits topologiques, qui seraient plus stables que les qubits traditionnels et nécessiteraient moins de correction d’erreur dès le départ.
Cependant, la société a déclaré avoir rencontré de nombreuses difficultés dans la création de qubits topologiques, car cela « représentait une courbe d’apprentissage abrupte ». « L’inconvénient [était] que jusqu’à récemment, les particules exotiques que Microsoft cherchait à utiliser, appelées Majoranas, n’avaient jamais été vues ni fabriquées », a déclaré la société.
Théorisés pour la première fois il y a plus de 80 ans par le physicien italien Ettore Majorana, les fermions de Majorana sont des particules qui sont leurs propres antiparticules. Mais il n’y avait aucune preuve physique de l’existence de telles particules.
Au cours de la dernière décennie environ, des chercheurs ont détecté des signes d’un type de fermion de Majorana connu sous le nom de mode zéro de Majorana (MZM), où des groupes d’électrons et d’autres particules agissent comme une seule particule, selon la publication scientifique IEEE Spectrum.
Pour créer ces nouvelles particules, Microsoft a déclaré avoir d’abord entrepris de construire des conducteurs topologiques ou topoconducteurs. Contrairement aux semi-conducteurs traditionnels qui sont généralement en silicium, le topoconducteur de Microsoft est en arséniure d’indium. C’est le même matériau que celui utilisé dans les détecteurs infrarouges.
Les topoconducteurs sont fabriqués en combinant de l’arséniure d’indium (un semi-conducteur) et de l’aluminium (un supraconducteur). Lorsqu’il est refroidi à une température proche du zéro absolu et réglé avec des champs magnétiques, le semi-conducteur est associé à la supraconductivité.
« Nous avons pris du recul et nous nous sommes dit : « OK, inventons le transistor de l’ère quantique. Quelles propriétés doit-il avoir ? » », a déclaré Chetan Nayak, chercheur technique chez Microsoft spécialisé dans l’informatique quantique. « Et c’est vraiment comme ça 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 de créer un nouveau type de qubit et, en fin de compte, toute notre architecture », a déclaré Nayak.
Majorana 1 est une puce à huit qubits, ce qui peut sembler modeste par rapport aux puces quantiques développées par des concurrents tels que Willow de Google (puce à 106 qubits) et R2 Heron d’IBM (puce à 156 qubits).
Cependant, la société a déclaré que l’architecture Topological Core sous-jacente de Majorana 1 permettait de faire évoluer la puce quantique jusqu’à un million de qubits.
« Il s’agit d’un seuil nécessaire pour que les ordinateurs quantiques puissent fournir des solutions transformatrices et concrètes, telles que la décomposition des microplastiques en sous-produits inoffensifs ou l’invention de matériaux auto-réparateurs pour la construction, la fabrication ou les soins de santé », a déclaré l’entreprise.
Ordinateurs quantiques vs superordinateurs vs ordinateurs classiques
Tout ce qui est saisi sur un ordinateur classique, comme des mots et des chiffres, est traduit en code binaire composé de bits, avec une valeur de 0 (état de base) ou de 1 (état excité). Un qubit, en revanche, exploite les principes de la mécanique quantique pour exister simultanément dans les deux états.
Par exemple, un qubit peut avoir une probabilité de 25 % d’avoir une valeur de 0 et une probabilité de 75 % d’avoir une valeur de 1. Cela signifie qu’un seul qubit peut représenter une plus grande quantité d’informations qu’un seul bit classique.
Par conséquent, les ordinateurs quantiques sont capables de traiter les informations d’une manière impossible pour les ordinateurs classiques. Ils sont donc capables de résoudre des problèmes que les ordinateurs classiques ne peuvent pas résoudre.
Mais en quoi les ordinateurs quantiques sont-ils différents des superordinateurs ?
Grâce à des architectures avancées et à des techniques d’accélération telles que les processeurs graphiques (GPU) et le traitement multicœur, les superordinateurs excellent dans l’exécution de calculs à un rythme plus rapide. Cela dit, ils sont toujours soumis aux contraintes des principes informatiques classiques et dépendent de portes logiques telles que les portes ET, OU, OU exclusif et NON pour manipuler les bits classiques.
Les ordinateurs quantiques, quant à eux, utilisent des portes quantiques telles que la porte H et les portes de Pauli, conçues pour traiter les qubits et également réversibles par nature. Ces portes quantiques peuvent être utilisées pour développer des circuits et des algorithmes et résoudre des problèmes qui seraient autrement impossibles à résoudre.
L’architecture de Majorana 1 se compose de nanofils d’aluminium reliés entre eux pour former un H. Chaque H possède quatre particules de Majorana contrôlables et constitue un qubit, a déclaré Microsoft.
Comment les ordinateurs quantiques pourraient-ils être utilisés ?
Les ordinateurs quantiques sont depuis longtemps considérés comme les outils nécessaires pour ouvrir la voie à de nouvelles découvertes scientifiques. Comme ils sont basés sur les principes de la mécanique quantique, ils sont capables de cartographier mathématiquement le comportement de la nature avec une plus grande précision.
« Par exemple, ils pourraient aider à résoudre la difficile question chimique de savoir pourquoi les matériaux souffrent de corrosion ou de fissures. Cela pourrait conduire à des matériaux auto-réparateurs qui réparent les fissures dans les ponts ou les pièces d’avion, les écrans de téléphone brisés ou les portières de voiture rayées », a déclaré Microsoft.
La société envisage également de combiner les ordinateurs quantiques avec ses outils d’IA générative. « Cela permettrait à quelqu’un de décrire en langage clair le type de nouveau matériau ou de nouvelle molécule qu’il souhaite créer et d’obtenir une réponse qui fonctionne immédiatement », a-t-elle ajouté.
« Si vous avez l’IA et le quantique, vous utiliserez peut-être le quantique pour générer des données synthétiques qui seront ensuite utilisées […] pour former de meilleurs modèles d’IA », a déclaré Nadella dans l’interview sur YouTube.
Mais, selon le PDG de Microsoft, la première chose qu’un ordinateur quantique permettrait aux chercheurs de faire est de construire de meilleurs ordinateurs quantiques en facilitant la simulation de la construction atome par atome de nouvelles portes quantiques.
Cependant, l’un des plus grands obstacles à la concrétisation de l’informatique quantique est la présence d’erreurs.
« La correction des erreurs est essentielle pour que les ordinateurs quantiques fonctionnent bien et deviennent utiles. Des erreurs se produisent lorsqu’un système quantique interagit avec son environnement externe et perd ses délicates caractéristiques quantiques », a déclaré Daniel Lidar, professeur de génie électrique et informatique à l’Université de Californie du Sud (USC), dans un communiqué.
En décembre dernier, Google a annoncé avoir développé une puce informatique quantique de pointe appelée Willow, capable de résoudre en moins de cinq minutes un calcul si complexe qu’il aurait fallu environ 10 septillions (10^25) d’années à un superordinateur pour le réaliser.
Le géant de la recherche a notamment affirmé avoir trouvé un moyen de réduire de manière exponentielle les erreurs dans les ordinateurs quantiques tout en utilisant davantage de qubits pour faire évoluer la technologie.
« Ils ont démontré que la correction d’erreur quantique fonctionne comme les théoriciens l’avaient prédit : à mesure qu’ils agrandissaient leur « qubit logique » corrigé d’erreur, les résultats s’amélioraient. Auparavant, dans la plupart des cas, les erreurs ne faisaient qu’augmenter », a déclaré Lidar.
D’autre part, l’équipe de Microsoft a affirmé mercredi avoir mis au point une nouvelle approche permettant de mesurer la quantité d’informations quantiques stockées dans les particules de Majorana. « Cette nouvelle approche de mesure est si précise qu’elle peut détecter la différence entre un milliard et un milliard et un électron dans un fil supraconducteur… », a déclaré l’entreprise, ajoutant que ce processus de mesure permettait de construire une machine quantique plus évolutive.
