Microsoft, dévoilant son nouveau Majorana 1 Le processeur quantique de la NASA a esquissé une voie viable vers une puce quantique à millions de qubits. Mais ce nouvel état de la matière marque-t-il vraiment une avancée majeure pour l'informatique quantique, ou s'agit-il simplement d'une nouvelle étape dans son évolution ?

L’informatique quantique est depuis longtemps considérée comme la prochaine frontière technologique, promettant des solutions à des problèmes hors de portée même des supercalculateurs modernes les plus puissants. Cependant, les chercheurs se débattent depuis des années avec un défi fondamental : comment construire un système capable de gérer la physique complexe des qubits, les unités de base de l’information quantique, sans succomber aux problèmes de bruit, d’instabilité et d’évolutivité.

Microsoft affirme désormais avoir fixé un nouveau cap avec son Majorana 1 puce, une innovation qu'elle appelle l'architecture Topological Core. Contrairement aux qubits conventionnels fabriqués à partir de semi-conducteurs standard ou de matériaux supraconducteurs, Majorana 1 repose sur un élément totalement différent : les conducteurs topologiques. Ces matériaux peuvent donner naissance à un nouvel état de la matière, une phase topologique, distincte des états solides, liquides ou gazeux traditionnels.

Mais pourquoi est-ce si important ? Et surtout, pourquoi quelqu’un en dehors du domaine de la physique quantique devrait-il s’en soucier ? Le potentiel de l’informatique quantique s’étend bien au-delà des laboratoires de recherche, influençant tout, du développement de matériaux de construction auto-réparateurs à l’optimisation de catalyseurs qui décomposent le plastique en sous-produits inoffensifs. Microsoft croit qu'avec Majorana 1, ces avancées pourraient devenir une réalité d’ici quelques années plutôt que quelques décennies.

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Un autre regard sur les cubes

Au cœur de MicrosoftLe progrès de l'équipe de recherche est un nouveau matériau conducteur topologique. Conçu à partir d'arséniure d'indium (un semi-conducteur) et d'aluminium (un supraconducteur), il est, comme l'a décrit un chercheur, « littéralement assemblé atome par atome ». Le résultat est un environnement ultra-pur capable de soutenir des particules quantiques insaisissables connues sous le nom de fermions de Majorana.

Les fermions de Majorana sont théoriquement l’une des méthodes les plus fiables pour stocker des informations quantiques. Leurs propriétés uniques permettent de protéger les données du bruit ambiant, préservant ainsi les états quantiques fragiles. Les qubits traditionnels sont extrêmement sensibles et sujets à la décohérence, un processus dans lequel les états quantiques se dégradent en raison d’interférences externes. Même des perturbations mineures, telles que des signaux électromagnétiques parasites, des fluctuations de température ou de minuscules perturbations physiques, peuvent provoquer des erreurs. Cette fragilité inhérente constitue depuis longtemps un obstacle majeur à la construction d’ordinateurs quantiques stables et évolutifs.

Microsoft prétend maintenant que Majorana 1Les qubits topologiques basés sur la technologie quantique offrent une résilience aux erreurs au niveau matériel, intégrant efficacement la stabilité dans la conception du qubit. En termes simples, cela pourrait rendre les ordinateurs quantiques beaucoup plus pratiques et plus faciles à mettre à l'échelle.

« Nous avons pris du recul et nous nous sommes demandé : à quoi ressemblerait un transistor pour l'ère quantique ? Quelles propriétés devrait-il avoir ? », a déclaré Chetan Nayak, Technical Fellow chez Microsoft« Nous en sommes arrivés là grâce à une combinaison unique – une qualité de matériau spécifique et des détails critiques dans notre nouvel ensemble de matériaux – qui nous a permis de créer un nouveau type de qubit et, en fin de compte, toute notre architecture. »

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Pourquoi cette avancée est si importante

L’informatique quantique a le potentiel de révolutionner la résolution de problèmes, en particulier dans les domaines impliquant des ensembles de données massifs ou des interactions complexes en chimie, physique et science des matériaux. Cependant, parvenir à produire quelques centaines ou milliers de qubits capables de fonctionner de manière fiable reste un défi.

L’un des problèmes inhérents aux qubits est qu’ils sont sujets aux erreurs. La création de systèmes avec correction d’erreurs nécessite généralement une charge de travail importante, car des qubits supplémentaires sont nécessaires pour stabiliser seulement quelques « qubits logiques » qui effectuent les calculs.

L’approche topologique vise à réduire les frais généraux liés à la correction des erreurs en rendant chaque qubit intrinsèquement plus stable. Cela représente une avancée significative dans la quête de la construction d’une machine capable de gérer un million de qubits. Ce seuil est considéré comme essentiel par les experts pour s’attaquer à des problèmes concrets, tels que la recherche de nouveaux produits pharmaceutiques, l’optimisation de chaînes d’approvisionnement complexes ou la découverte de matériaux auto-réparateurs capables de réparer les fissures dans les ponts, les composants d’avion ou même les rayures sur les écrans de téléphone.

Réaliser un million de qubits dans une puce suffisamment petite pour tenir dans la paume de votre main peut sembler sortir tout droit d'un roman de science-fiction. Cependant, Microsoft estime que cette échelle est atteignable grâce à son architecture Topological Core.

« Dans l’exploration de l’espace quantique, il doit exister un chemin vers un million de qubits. Sans cela, nous nous heurterons à un mur avant d’atteindre l’échelle nécessaire pour résoudre les problèmes vraiment importants qui nous animent », a déclaré Chetan Nayak. « Nous avons en fait tracé le chemin vers un million. »

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Repenser le contrôle et la mesure

Les qubits ne doivent pas seulement être stables : ils doivent également être mesurables pour produire des résultats utiles. Les méthodes traditionnelles reposent souvent sur un réglage précis de chaque qubit de manière analogique, un processus complexe et chronophage qui devient ingérable à mesure que le nombre de qubits augmente.

Microsoft Le qubit contourne ce défi en introduisant un « commutateur numérique » qui relie les extrémités du nanofil (où se trouvent les Majoranas) à un point quantique. Ce point quantique stocke une charge électrique qui change en fonction du nombre d’électrons présents, de la même manière qu’on distingue « un milliard » et « un milliard et un ». Cette différence de charge indique si le qubit est dans un état pair ou impair, une donnée clé pour les calculs quantiques.

L'avantage est que les mesures peuvent être activées ou désactivées à l'aide d'impulsions de tension, ce qui s'apparente davantage à l'actionnement d'un interrupteur numérique qu'au réglage de cadrans sensibles. Cette approche libère les ingénieurs de la nécessité d'étalonner chaque qubit individuellement, réduisant ainsi potentiellement la complexité du système de plusieurs ordres de grandeur. De plus, comme il est stable au niveau matériel, le processus nécessite moins de qubits supplémentaires pour la correction des erreurs.

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Créer l'impossible : un nouvel état de la matière

Le concept d'un état topologique de la matière (une phase de la matière distincte des solides, des liquides ou des gaz) peut sembler abstrait en mécanique quantique. Pourtant, il constitue le fondement de cette approche. La création de conducteurs topologiques nécessitait Microsoft développer une classe de matériaux complètement nouvelle.

MicrosoftL'architecture topologique des qubits de , en forme de minuscule « H » composé de nanofils d'aluminium, rassemble quatre Majoranas contrôlés pour former un seul qubit. Ces qubits individuels peuvent ensuite être disposés sur une puce, offrant ainsi un chemin simple vers la mise à l'échelle.

« C'est difficile parce que nous avons dû démontrer un nouvel état de la matière pour y parvenir, mais après cela, c'est relativement simple. C'est comme du carrelage. Vous avez une architecture beaucoup plus simple qui promet un chemin beaucoup plus rapide vers la mise à l'échelle », a déclaré Krista Swore, une autre membre du personnel technique de Microsoft.

Ce nouvel état de la matière est aussi la raison pour laquelle les fermions de Majorana sont si insaisissables : la nature ne les crée pas spontanément. Pour induire leur existence, des températures proches du zéro absolu, des champs magnétiques soigneusement alignés et une interface parfaite entre l'aluminium supraconducteur et l'arséniure d'indium semi-conducteur sont nécessaires. Une perturbation de la structure atomique et le qubit échoue. Il s'agit d'une avancée remarquable dans la science des matériaux, qui souligne l'ampleur des défis d'ingénierie qui se posent. Microsoft a dû surmonter.

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Le chemin vers de vraies solutions

Comme pour toute recherche ambitieuse en informatique quantique, il faudra des années pour obtenir pleinement les résultats. Cependant, Microsoft positions Majorana 1 comme la pièce manquante du puzzle qui permettra à Quantum de résoudre plus rapidement les problèmes qui façonnent l'industrie. La Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), responsable du financement des technologies à haut risque et à coût élevé, semble être du même avis. Microsoft est l'une des deux sociétés choisies pour l'étape finale du programme Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC) de la DARPA, qui vise à développer le premier ordinateur quantique tolérant aux pannes avec une réelle valeur commerciale.

Les implications sont énormes. Avec un système d’un million de qubits, les scientifiques pourraient théoriquement résoudre les mystères chimiques les plus complexes, expliquer pourquoi certains matériaux se corrodent ou se fissurent, ou clarifier comment certaines enzymes agissent comme catalyseurs dans l’agriculture et la santé.

De telles découvertes pourraient conduire à la création d’infrastructures autoréparatrices, de médicaments plus efficaces ou d’une méthode universelle pour décomposer le plastique et lutter contre la pollution par les microplastiques. Associés aux progrès de l’intelligence artificielle, les ordinateurs quantiques pourraient transformer nos objectifs en « recettes » pour de nouveaux matériaux, éliminant ainsi potentiellement des années d’essais et d’erreurs en recherche et développement.

« Dès le début, nous voulions créer un ordinateur quantique pour un impact commercial, pas seulement pour un leadership intellectuel », a déclaré MicrosoftMatthias Troyer, responsable technique de l'équipe de recherche. « Nous savions que nous avions besoin d'un nouveau qubit. Nous savions que nous devions évoluer. »

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Un tournant pour Quantum

À bien des égards, la bataille qui se déroule dans le domaine de l’informatique quantique rappelle les débuts de la révolution des semi-conducteurs. Les ingénieurs savaient que les transistors allaient révolutionner le monde, mais ils devaient d’abord résoudre de nombreux défis liés à la science des matériaux et à la conception des circuits.

De même, les conducteurs topologiques pourraient faire pour l’informatique quantique ce que les semi-conducteurs ont fait autrefois pour l’informatique classique, en fournissant la base stable et évolutive nécessaire à la prochaine génération de puissance de calcul.

Le Majorana 1 La puce, conçue pour accueillir un million de qubits et de la taille d’une paume de main, indique que l’ère des machines quantiques « à millions de qubits » pourrait être plus proche qu’on ne le pense. Bien entendu, les machines quantiques à grande échelle nécessitent encore des années de développement.

Les réfrigérateurs à dilution, la logique de contrôle, les piles logicielles et l’ensemble de l’écosystème informatique doivent s’intégrer de manière transparente. Cependant, l’approche topologique a partiellement levé les plus grands obstacles scientifiques concernant « la manière de maintenir la stabilité des qubits et de les mesurer de manière fiable ».

« Une chose est de découvrir un nouvel état de la matière », a déclaré Nayak, « une autre est de l’utiliser pour repenser l’informatique quantique à grande échelle. » Il semble que Microsoft a fait les deux, poussant la technologie quantique au-delà des laboratoires et la faisant progresser vers un impact pratique. La recherche de qubits stables pourrait enfin céder la place à une ère où le matériel quantique est plus fiable, la voie vers un million de qubits est tracée et des applications commerciales se profilent à l'horizon.

Si cette technologie tient ses promesses, elle ne constituera pas seulement un tournant pour MicrosoftCela pourrait signifier un changement de paradigme dans la façon dont nous développons tout, des matériaux et produits pharmaceutiques avancés aux solutions environnementales complexes. Et c'est pourquoi Majorana 1 c'est vraiment un gros problème.

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