L’informatique quantique est un vaste et complexe sujet. Nous avons résumé les enjeux dans un article de vulgarisation. Nous avons également publié de longs dossiers sur les qubits, les portes quantiques (et leur importance), l’algorithme de Shor « casseur » de cryptographie vous permettant d’en comprendre les enjeux.

Next a également décrypté les annonces récentes, dont celle de Google avec sa puce Willow et celles de Microsoft sur l’augmentation des qubits… sans oublier la fameuse crème quantique de Guerlain. Le sujet est plus que jamais d’actualité, en témoigne la levée de fonds de 100 millions d’euros d’Alice & Bob par exemple.

• [FAQ] Notre antisèche sur l’informatique quantique
• 10 ans de peur autour du « post-quantique » : derrière les annonces, quelle réalité ?

Les promesses

Revenons aux annonces de Microsoft, avec les promesses pour commencer (elles sont toujours simples à comprendre, contrairement aux explications techniques) : « Cette avancée pourrait permettre aux ordinateurs quantiques de résoudre des problèmes à grande échelle en quelques années, au lieu de plusieurs décennies »… C’est du moins ce qu’explique le communiqué en français.

Mais dans la version anglaise, la formulation est différente et ne veut plus dire la même chose : cette puce quantique « permettra de réaliser des ordinateurs quantiques capables de résoudre des problèmes importants, à l'échelle industrielle en quelques années, et non en décennies ». Il est cette fois question de l’arrivée des ordinateurs quantiques « utiles » dans quelques années.

Voici Majorana 1 et son « cœur topologique »

Microsoft explique que Majorana 1 est « le premier Quantum Processing Unit (QPU) au monde alimenté par un cœur topologique, conçu pour accueillir jusqu’à un million de qubits sur une seule puce ». Premier point important : c’est la théorie dans un futur plus ou moins lointain. En pratique, Microsoft n’a pour le moment placé que huit qubits topologiques sur sa puce.

Passons maintenant au cœur de l’annonce du jour : « le premier topoconducteur au monde », aussi appelé supraconducteur topologique. Selon Microsoft, il s’agit d’utiliser la supraconductivité topologique, « un nouvel état de la matière qui, jusqu’ici, n’existait qu’en théorie ». On vous explique.

Avançons doucement, dans l’ordre. La supraconductivité est, pour un matériau, « la capacité de conduire parfaitement un courant électrique, sans résistance, et donc sans perte d’énergie », explique le CEA. De son côté, le CNRS rappelle que ce « phénomène quantique » était longtemps « cantonné aux très basses températures » (proches du zéro absolu), mais les choses sont en train de changer. Voilà pour la supraconductivité.

Passons maintenant au second mot du jour : topologique. Dans un article, le CNRS revient sur les matériaux topologiques. Les chercheurs rappellent les différentes phases ou états (solide, liquide, gaz, plasma) de la matière, mais ajoutent qu’il y en a d’autres :

« Moins connues, les phases topologiques ont valu le prix Nobel de physique 2016 à leurs découvreurs, Thouless, Haldane et Kosterlitz. Ces nouveaux états de la matière ont des comportements surprenants : ainsi, les isolants topologiques ont la propriété d’être des isolants électriques en volume, alors qu’un courant électrique peut se propager sans résistance à leur surface ».

« Un futur radieux » pour l’informatique quantique

Et c’est justement cela dont il est question dans le communiqué de Microsoft sur les topoconducteurs (ou supraconducteurs topologiques, vous suivez ?) : c’est « une catégorie spéciale de matériaux capable d’atteindre un nouvel état de la matière – non pas un solide, un liquide ou un gaz, mais un état topologique ».

En 2019 déjà, le CNRS expliquait que la chimie quantique topologique laissait entrevoir « un futur radieux pour ces matériaux, déjà pressentis pour jouer un rôle dans l’informatique quantique ». Six ans plus tard (après des faux départs, on y reviendra à la fin de cet article), on semble donc y être, en tout cas chez Microsoft avec « la conception et la fabrication de matériels définis par des portes (gate-defined) combinant de l’arséniure d’indium (un semi-conducteur) et de l’aluminium (un supraconducteur) ».

Voilà les Majorana Zero Modes

L’entreprise affirme qu'elle assure la fabrication « atome par atome » : « 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 ».

« Lorsqu’ils sont refroidis près du zéro absolu et réglés à l’aide de champs magnétiques, ces matériaux forment des nanofils supraconducteurs topologiques avec des Majorana Zero Modes (MZM) à leurs extrémités », explique l’entreprise. Le nom Majorana (également donné à la puce Majorana 1) rend hommage au physicien italien Ettore Majorana, disparu mystérieusement en 1938.

Une rapide explication sur les nanofils : ce sont des nanostructures dont le diamètre est de l’ordre du nanomètre. Quant aux Majorana Zero Modes, ce sont « les éléments de base des qubits, stockant l’information quantique à travers leur "parité" – c’est-à-dire selon que le nanofil contient un nombre pair ou impair d’électrons », explique Microsoft.

Supraconducteurs vs topoconducteurs : fight

Quelle différence entre les supraconducteurs conventionnels et les topoconducteurs ? Dans le premier cas, les électrons sont liés pour former des paires de Cooper, ce qui donne la propriété de supraconductivité au matériau. « Tout électron non apparié peut être détecté, car sa présence nécessite de l’énergie supplémentaire », explique Microsoft.

Les topoconducteurs sont différents : « ici, un électron non apparié est partagé entre une paire de MZM, le rendant invisible à l’environnement. Cette propriété unique protège l’information quantique ». Si c’est indispensable pour maintenir l’état quantique, « comment lire une information quantique si bien cachée ? Comment distinguer, par exemple, 1 000 000 000 et 1 000 000 001 électrons ? ».

Microsoft relie les extrémités de ses nanofils à un point quantique, « un minuscule dispositif semi-conducteur pouvant stocker une charge électrique ». Cette connexion augmente la capacité du point quantique à retenir une charge et cette augmentation dépend de la parité du nanofil, et donc de la valeur du qubit.

Simplifier la correction des erreurs « de manière radicale »

L’ensemble est conçu pour obtenir des changements pouvant être mesurés de manière fiable, en une fois : « Nos premières mesures présentaient une probabilité d’erreur de 1 %, et nous avons identifié des moyens clairs pour la réduire significativement ».

Microsoft explique que le bouclier qui enveloppe sa puce est suffisant pour protéger le système des rayonnements électromagnétiques qui peuvent casser les paires de Cooper (ce qui donnerait des électrons libres pouvant modifier l’état du qubit).

Selon Microsoft, son approche permet de simplifier la correction des erreurs quantiques « de manière radicale ». Les mesures passent « par de simples impulsions numériques connectant et déconnectant des points quantiques des nanofils ». Selon le fabricant, cette manière de faire permet « la gestion de vastes ensembles de qubits beaucoup plus pratiques pour des applications réelles ».

Et voilà le tétron

Pour passer de la théorie du fonctionnement du topoconducteur à sa mise en œuvre, Microsoft présente la prochaine étape : une « architecture évolutive basée sur un matériel à un seul qubit appelé tétron ». Les travaux publiés démontrent, selon la société, le fonctionnement de ce qubit : « une opération fondamentale, qui mesure la parité d’un des nanofils topologiques dans un tétron ».

Les prochaines étapes seront de passer à une matrice de 4 x 2 tétrons : « Nous utiliserons d’abord un sous-ensemble de deux qubits pour démontrer l’intrication et les transformations de tressage basées sur la mesure. Ensuite, en utilisant l’ensemble de la matrice de huit qubits, nous mettrons en œuvre la détection d’erreurs quantiques sur deux qubits logiques ». Nous y reviendrons en temps voulu.

C’est le « premier qubit topologique au monde »

Résumons un peu la situation. Microsoft affirme avoir « démontré le premier qubit topologique au monde » et avoir « déjà placé huit qubits topologiques sur une puce conçue pour en accueillir un million ». Que pourrait-on faire avec une telle machine ?

Selon Microsoft, « c’est une porte d’entrée vers la résolution de certains des problèmes les plus complexes au monde ». Elle pourrait « conduire à des innovations telles que des matériaux auto-réparateurs capables de combler les fissures des ponts, une agriculture durable et des découvertes de produits chimiques plus sûrs ».

« Ce qui nécessite aujourd’hui des milliards de dollars en recherches expérimentales approfondies et en expériences en laboratoire humide pourrait être réalisé grâce aux calculs d’un ordinateur quantique »… dont le prix n’est pas précisé.

Retour sur les quasi-particules de Majorana

Selon l’article scientifique publié dans Nature en 2015, « il n’est pas absurde de comparer les systèmes de Majorana […] avec le transistor à effet de champ (FET). Les deux sont de bonnes solutions théoriques au problème du traitement efficace des signaux et de l’information qu’ils transportent ». Ils sont trois chercheurs de la Station Q de Microsoft à le signer : Sankar Das Sarma, Michael Freedman et Chetan Nayak. Trois pointures dans leur domaine, comme on peut le lire dans l’article L’atout fantôme des ordinateurs quantiques de Zack Savitsky, publié dans Pour la science (traduction d’un article de Science).

Chetan Nayak (chercheur émérite chez Microsoft) refait cette année la même comparaison : « Nous avons pris du recul et nous nous sommes demandés : "Ok, inventons le transistor de l’ère quantique. Quelles propriétés doit-il avoir ?" ».

Notre confrère de Science rappelle que « les qubits des prototypes actuels sont très fragiles. Plusieurs équipes, privées et académiques, se sont lancées dans une compétition intense pour les doter d’une protection intrinsèque, grâce à des quasi-particules inspirées des travaux d’Ettore Majorana ».

On parle plus précisément des quasi-particules de Majorana. Selon le communiqué de Microsoft, « depuis près d’un siècle, ces quasiparticules n’existaient que dans les manuels. Aujourd’hui, nous pouvons les créer et les contrôler à la demande dans nos topoconducteurs ».

Google et Microsoft dans la course aux quasi-particules Majorana

L’année dernière, notre confrère Zack Savitsky expliquait que la course aux quasi-particules Majorana battait son plein chez plusieurs pointures du secteur :

« À l’intérieur d’un bâtiment noir aux vitres teintées, les chercheurs de Google tentent de créer des quasi-particules sur des puces soumises à des températures proches du zéro absolu grâce à des systèmes de refroidissement qui ressemblent à des chandeliers. De l’autre côté du parking, les chercheurs de Microsoft s’efforcent de les faire émerger à l’extrémité d’un fil 1 000 fois plus fin qu’un cheveu. Et en bas de la rue, des scientifiques de l’université de Californie à Santa Barbara (UCSB) espèrent les piéger sur du graphène, obtenu avec de la mine de crayon et du Scotch ».

Trois approches différentes, mais tous sont « convaincus d’avoir choisi la bonne piste et d’avoir une longueur d’avance sur tous les autres ». Microsoft est en tout cas le premier à faire une annonce publique. À voir si les deux autres suivront dans les prochaines semaines.

« Un budget apparemment illimité » chez Microsoft

Dans cet article de Science, on apprend qu’au début des années 2000, Michael Freedman (alors mathématicien à l’UCSB), écrivait à Bill Gates « pour promouvoir l’idée de l’ordinateur quantique topologique. Environ un an plus tard, l’entreprise a suivi ce conseil et a fait le pari audacieux de racheter Station Q ».

Selon Science, qui s’appuie sur des déclarations de Zhenghan Wang (mathématicien à l’UCSB et co-fondateur de Station Q), le laboratoire avait alors « un budget apparemment illimité et une grande liberté d’action pour explorer des idées folles ». C’est en 2012 que Microsoft aurait mis le cap sur les nanofils.

Quasi-particule de Majorana : une « preuve » irréfutable, réfutée

Leo Kouwenhoven, scientifique qui a rejoint Microsoft en 2016, publiait en 2018 un article sur un signal qui était alors « considéré comme une "preuve" irréfutable » d’une quasi-particule de Majorana. Signe que la recherche est compliquée : « Le vice-président de l’entreprise a prédit qu’un qubit topologique fonctionnerait dans le courant de l’année ».

Mais tout s’est écroulé comme un château de sable. « Kouwenhoven a été critiqué. Deux anciens membres du personnel ont alerté Nature sur des erreurs dans une publication critique. Kouwenhoven a jugé nécessaire de retirer l’article [en 2021]. Le silence s’est alors installé », explique le média néerlandais Delta.

Chris Palmstrøm (physicien de l’UCSB qui travaille lui aussi sur des nanofils) n’était pas tendre avec Microsoft à cette époque. Il parlait d’un excès de zèle lors de l’annonce de l’existence d’un qubit topologique : « Ils essayaient de courir avant de savoir ramper. Il était prématuré de promettre autant ».

Dans un article, Microsoft prend les devants : « 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 ».

Microsoft transfère la recherche quantique en interne

En 2022, Microsoft fait deux annonces avec un calendrier surprenant : le départ de Leo Kouwenhoven et des avancées dans la création de qubits topologiques évolutifs (via des quasiparticules de Majorana). C’est également dans le début des années 2020 que Microsoft change son fusil d’épaule. L’entreprise met l’accent sur la commercialisation et limite la communication dans le but d’éviter des fuites.

« Microsoft a fini par supprimer la majeure partie du financement de ses collaborations universitaires et a transféré l’essentiel de ses recherches sur l’informatique quantique en interne », explique Zack Savitsky dans Science. De nombreux grands noms de ce domaine de recherche sont partis. Michael Freedman, par exemple, est passé de Microsoft à Google début 2023.

Enfin, Fiona Burnell (physicienne théoricienne à l’université du Minnesota), affirme que ce changement de politique est « une arme à double tranchant ». Les investissements ont contribué au développement de la recherche, mais la politique du secret de l’entreprise complique les besoins de reproductibilité des résultats.

« La dernière publication de Microsoft sur les quasi-particules de Majorana en juin 2023, par exemple, omet les méthodes de fabrication des nanofils, que l’entreprise considère comme des secrets commerciaux », explique Science.

« Théoriquement, c’est magnifique »

Dans le tour d’horizon de 2024 de Science, les chercheurs étaient pessimistes : « Théoriquement, c’est magnifique, mais, en pratique, il semble que nous ne disposions pas de la technologie appropriée pour que cela fonctionne bien », expliquait Alexei Kitaev (chercheur à Caltech et consultant pour Google). Chris Palmstrøm était plus optimiste : « Je pense que nous y parviendrons ».

Microsoft affirme en tout cas avoir atteint le Graal, reste à maintenant à transformer l’essai et à monter en puissance sur le nombre de qubits. Une chose est sûre, on n’est pas encore au million annoncé sur une seule puce.

Ce million est incontournable pour Chetan Nayak : « 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 ».