Informatique

Microsoft invente un nouvel état de la matière pour la puce informatique quantique Majorana-1

Publié 20 février 2025

Jonathan Schramm

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Un nouvel état de la matière pour un ordinateur quantique à grande échelle

Ces derniers mois ont été riches en événements pour les progrès de l'informatique quantique et les entreprises que nous avons couvertes dans «Les 5 meilleures entreprises d'informatique quantique de 2025 ».

Cela a commencé avec Willow de Google en décembre 2024, peut-être la première puce quantique évolutive. Elle a ensuite été suivie par la nouvelle de le premier calcul quantique distribué via une liaison réseau optique, ouvrant la voie à des ordinateurs quantiques mis en réseau comme des ordinateurs normaux dans des serveurs dédiés.

C'est désormais au tour de Microsoft de faire sensation avec la présentation de Majorana 1, une puce utilisant un tout nouvel état de la matière pour réaliser du calcul quantique : les topoconducteurs.

Microsoft affirme que les topoconducteurs peuvent produire des qubits plus fiables et évolutifs, les éléments de base des ordinateurs quantiques.

Cette toute nouvelle voie pour l'informatique quantique change radicalement la façon dont Microsoft vise à construire ses futurs ordinateurs quantiques, avec « une voie claire pour intégrer un million de qubits sur une seule puce qui peut tenir dans la paume de la main ».

Microsoft Corporation (MSFT -0.31%)

Que sont les topoconducteurs ?

Il semble que l'origine de la percée provienne d'une nouvelle approche, visant à créer un transistor dédié à l'informatique quantique, allant au-delà de ce qui a été fait jusqu'à présent.

« Nous avons pris du recul et nous nous sommes dit : « OK, inventons le transistor pour l'ère quantique. Quelles propriétés doit-il avoir ?

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. »

Chetan Nayak, membre technique de Microsoft

Supraconducteurs topologiques, décrits dans l'article correspondant publié dans Nature¹, sous le titre "Mesure de parité interférométrique à un seul coup dans les dispositifs hybrides InAs–Al« sont un état de la matière différent de celui, plus familier, du solide, du liquide ou du gaz, ou même des plus exotiques comme le plasma du condensat de Bose-Einstein.

L'état topologique n'a été jusqu'à présent que théorisé, d'abord par Ettore Majorana (1906-1938), mais soudain, il semble que ce soit non seulement observable mais même contrôlable. Particule de Majorana (également appelé fermion de Majorana), une particule qui est sa propre antiparticule, a été observée par les chercheurs de Microsoft pour la première fois en 2024.

Les particules de Majorana sont similaires aux électrons d'une certaine manière et pourraient être utilisées pour préserver des données quantiques utiles au calcul quantique.

Ce n'était pas du tout un succès du jour au lendemain et c'était apparemment le résultat de plus de 17 ans de recherche, le projet de recherche le plus long de Microsoft, et jusqu'à présent un secret très bien gardé.

Pour simplifier (beaucoup) les choses, un topoconducteur est un semi-conducteur partageant une partie de son comportement au niveau atomique et subatomique avec les matériaux supraconducteurs.

Source: Microsoft

Cela a été réalisé en fusionnant dans un fil de l'arséniure d'indium (un semi-conducteur) et de l'aluminium (un supraconducteur).

Source: Examen physique

Lorsqu'ils sont refroidis à près du zéro absolu et réglés avec des champs magnétiques, ces dispositifs forment des nanofils supraconducteurs topologiques, contenant des modes zéro de Majorana (MZM) aux extrémités des fils.

Source: Microsoft

État quantique ultra-stable

Dans un supraconducteur « normal », tout électron non apparié peut être détecté car sa présence nécessite une énergie supplémentaire. Cela rend sa mesure simple, mais le rend également très sensible au bruit et aux perturbations de l’environnement, ce qui rend tout calcul quantique difficile.

Les MZM sont radicalement différents, car un électron non apparié est partagé entre une paire de MZM, ce qui le rend invisible à l'environnement. Cette propriété unique des particules de Majorana protège l'information quantique, la rendant ultra-stable et fiable.

Électrons invisibles

Bien sûr, bien que cela soit idéal pour préserver l'état quantique dans un état stable et utile, cela rend également toute mesure réelle de celui-ci extrêmement difficile, c'est pourquoi les particules de Majorana n'ont été théoriques que pendant un siècle jusqu'à très récemment.

Si ces caractéristiques font de nos topoconducteurs des candidats idéaux pour les qubits, elles posent également un défi : comment lire des informations quantiques si bien cachées ? Comment faire la distinction entre, disons, 1,000,000,000 1,000,000,001 XNUMX XNUMX et XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX électrons ?

La solution de Microsoft au problème s'est appuyée sur les points quantiques, un matériau unique dont nous avons longuement parlé dans «Investir dans les réalisations du prix Nobel – Points quantiques et nanocouleursOn peut le décrire comme un minuscule dispositif semi-conducteur capable de stocker une charge électrique.

Le point quantique est placé à l'extrémité du nanofil topologique. Cette connexion augmente la capacité du point à retenir la charge. L'augmentation exacte dépend de la parité du nanofil.

Source: Microsoft

Ainsi, en mesurant l’état des points quantiques, un processus bien connu utilisant les micro-ondes, le système peut également mesurer l’état quantique, autrement invisible, de la particule de Majorana.

Source: Nature

Non seulement la mesure est possible, mais elle est également extrêmement fiable, même avec un premier prototype, avant toute optimisation supplémentaire.

Nous avons conçu nos appareils de manière à ce que ces changements soient suffisamment importants pour être mesurés de manière fiable en une seule fois. Nos mesures initiales présentaient une probabilité d'erreur de 1 %, et nous avons identifié des pistes claires pour réduire considérablement ce risque.

Qubits ultra-fiables

Cela change complètement l’approche de la mesure de l’état quantique utilisée dans l’informatique quantique.

Jusqu'à présent, cette méthode nécessitait la rotation des états quantiques selon des angles précis, ce qui nécessitait des signaux de contrôle analogiques complexes et personnalisés pour chaque qubit. La correction des erreurs, qui reposait sur la même méthode, était donc extrêmement complexe, coûteuse et globalement moins fiable.

Au lieu de cela, la méthode découverte par Microsoft peut simplement corriger les erreurs en connectant et en déconnectant les points quantiques des nanofils, à l’aide d’une impulsion numérique.

Source: Microsoft

Si vous êtes intéressé, vous pouvez en apprendre davantage sur les détails de la façon dont les topoconducteurs ont été développés dans cette longue interview avec Dr Chetan Nayak, le leader derrière ce projet de Microsoft.

Architecture intrinsèquement évolutive

Parce que le système est beaucoup plus simple en termes d’ingénierie, voire de physique des particules, et également plus fiable et stable, il est naturellement plus facile de le faire évoluer.

Le composant de base serait un « tétron », composé de 2 nanofils, 4 MZM et 4 points quantiques, créant un dispositif à 2 qubits.

Associé à un autre, il peut former un dispositif de base à deux qubits prenant en charge une méthode utilisée pour le calcul quantique appelée «Transformations de tressage basées sur des mesures ».

Un réseau 4×2 de tétrons pourrait effectuer une détection d’erreurs sur deux qubits logiques.

Source: Microsoft

Ce bloc pourrait ensuite être répliqué des dizaines, des centaines, voire des milliers ou des millions de fois pour construire un ordinateur quantique massif, bien plus grand que tout ce qui avait été imaginé jusqu’à présent.

Il n’est peut-être pas surprenant que l’informatique quantique nous oblige à concevoir un nouvel état de la matière spécifiquement conçu pour le permettre.

Ce qui est remarquable, c’est la précision de notre technique de lecture, qui démontre que nous exploitons cet état exotique de la matière pour le calcul quantique.

Vous pouvez voir à quoi ressemble la puce Majorana à partir de ce rendu, en commençant par la particule Majorana et en terminant par la puce entière tenue dans la main d'une personne.

Enfin, l’élément clé qui rend cette technologie particulièrement évolutive est la taille réduite des composants physiques. Ainsi, plus d’un million de qubits physiques peuvent être insérés dans une petite puce pouvant tenir dans la main.

Source: Microsoft

Poursuite de l'amélioration

Comme expliqué précédemment, même la probabilité d'erreur de 1 % dans la mesure des points quantiques et du MZM peut être encore réduite. Les chercheurs de Microsoft envisagent déjà une solution.

Les erreurs de calcul s'accumulant les unes les autres, une diminution de 10 fois du taux d'erreur pourrait augmenter considérablement le potentiel de calcul utile ultime.

Une autre chose qui peut être améliorée est la stabilité globale de l’état quantique des particules de Majorana.

« L’énergie externe, comme le rayonnement électromagnétique, peut briser les paires de Cooper, créant ainsi des électrons non appariés qui peuvent faire passer le qubit d’une parité paire à une parité impaire. Cependant, nos résultats montrent que ce phénomène est rare et ne se produit qu’une fois par milliseconde en moyenne. »

Le système développé par Microsoft a démontré une stabilité impressionnante, ce qui indique que le blindage fait déjà bien son travail. Cependant, il existe probablement d'autres moyens de réduire encore davantage les interférences, qui sont également déjà à l'étude.

Accélérer la révolution de l'informatique quantique

La prochaine étape pour Microsoft est de construire le réseau de tétrons 4×2 au-delà du prototype initial et de le tester à grande échelle.

Ensuite, utilisez l’ensemble du réseau de huit qubits pour implémenter la détection d’erreurs quantiques (QEC) sur deux qubits logiques.

Étant donné que les qubits topologiques disposent d'une protection intégrée contre les erreurs, cela simplifie grandement le QEC. De plus, Microsoft affirme que son codes QEC personnalisés réduire les frais généraux d'environ 10 fois par rapport à l'approche de pointe précédente.

Ainsi, non seulement les qubits basés sur Majorana sont plus fiables, mais ils peuvent fonctionner plus rapidement et nécessitent moins de qubits physiques pour produire un qubit logique.

(les qubits logiques sont des unités de mesure utiles pour les applications pratiques, de la même manière qu'un processeur est mesuré en opérations par seconde et pas seulement par le nombre de transistors qu'il contient)

« Nous pensons que cette avancée nous permettra de créer un ordinateur quantique véritablement significatif, non pas en quelques décennies, comme certains l’ont prédit, mais en quelques années. »

Satya Nadella – PDG de Microsoft

Applications

Science

La communication de Microsoft autour de Majorana 1 est principalement axée sur les résultats scientifiques qu'il pourrait créer, notamment en biologie et en sciences des matériaux.

Il s’agit de domaines très importants pour l’informatique quantique, car du repliement des protéines aux matériaux complexes pour les batteries, le calcul de leur comportement à l’échelle atomique est extrêmement gourmand en termes de calcul, poussant à la limite les supercalculateurs actuels.

Les ordinateurs quantiques évolutifs seraient capables de simuler ces problèmes des millions, voire des milliards de fois plus efficacement, ce qui permettrait probablement un flux massif de nouvelles découvertes.

Cela se fera non seulement en effectuant des calculs jusqu’alors impossibles, mais aussi en évitant des milliards de dollars en recherches expérimentales exhaustives et en expériences en laboratoire.

Parmi les possibilités infinies, quelques-unes ont été mentionnées par Microsoft :

Matériaux auto-cicatrisants qui réparent les fissures dans les ponts.
Agriculture durable.
Une découverte chimique plus sûre.

Dans une interview d’une heure, le PDG de Microsoft a même expliqué que, de son point de vue, le moyen de voir si l’informatique quantique et l’IA fonctionnent correctement est la croissance économique mondiale.

« Le véritable critère de référence est de savoir si le monde croît à un rythme de 10 % » de plus que toute autre mesure.

Satya Nadella – PDG de Microsoft

Cryptographie et Défense

Les ordinateurs quantiques ont le potentiel de briser presque toutes les méthodes de cryptage actuellement utilisées, y compris pour les communications militaires, les codes nucléaires, les virements bancaires, etc.

Il est donc essentiel pour le gouvernement américain (et toutes les autres grandes puissances) de ne pas se laisser surprendre par les progrès de l’informatique quantique.

L'Agence des projets de recherche avancée de défense (DARPA) a sélectionné Microsoft en tant que l'une des deux entreprises à passer à la phase finale de leur programme rigoureux d'analyse comparative connu sous le nom de Systèmes sous-explorés pour l'informatique quantique à l'échelle des services publics (US2QC), (l'autre société étant l'informatique quantique photonique PsiQuantique).

L'US2QC a réuni des experts de la DARPA, du laboratoire de recherche de l'armée de l'air, du laboratoire de physique appliquée de l'université Johns Hopkins, du laboratoire national de Los Alamos, du laboratoire national d'Oak Ridge et du centre de recherche Ames de la NASA.

Entreprise d'informatique quantique et de particules de Majorana