Microsoft Research a annoncé une percée majeure dans sa poursuite de l’informatique quantique – la base d’un nouveau type de qubit, qui n’avait jamais quitté le monde de la théorie auparavant… et ne l’a toujours pas fait. Microsoft n’a finalement toujours pas produit d’appareils basés sur sa nouvelle conception de qubit, mais ajoute de la crédibilité à leur faisabilité avec des preuves produites par d’immenses simulations à l’intérieur et à l’extérieur de Microsoft. Azur Quantum infrastructures en nuage. Les recherches de Microsoft sur l’informatique quantique se concentrent sur un type spécial et exotique de qubit, qubits topologiques, qu’il a présenté comme son véhicule vers l’avenir du quantique depuis 2016.
Malgré les investissements de Microsoft dans le domaine, on a relativement peu entendu parler de l’entreprise. De plus, les concurrents géants de la technologie de Microsoft, Google et IBM, et des entreprises beaucoup plus petites que Microsoft, comme Riggetti Computing et IonQ, ont déjà déployé des systèmes informatiques quantiques, contrairement à Microsoft. On pourrait donc penser que Microsoft, qui pèse deux billions de dollars, traîne les pieds dans la course à l’informatique quantique évolutive.
La route la moins fréquentée
Cependant, Microsoft dirait qu’il a choisi de s’attaquer à un type de qubit que ses concurrents ne feraient pas. Il a été initialement prouvé que les qubits topologiques existaient dans une publication du magazine Nature de 2018, puis réfutés, les chercheurs originaux ayant retiré l’article. « pour une rigueur scientifique insuffisante dans notre manuscrit original. »
Microsoft ne démontre pas seulement que les qubits topologiques sont sur le point de devenir une réalité : la société affirme qu’ils sont finalement le seul pari actuellement valable pour une informatique quantique durable, évolutive (à hauteur de millions de qubits exploités) et finalement significative.
« Les qubits d’aujourd’hui ne seront pas la base des ordinateurs quantiques de demain », a déclaré Chetan Nayak, ingénieur distingué de Microsoft, à Ars Technica. « Les qubits que nous avons aujourd’hui sont très intéressants, très impressionnants – vous pouvez apprendre beaucoup et faire beaucoup de recherches et faire de bons progrès progressifs. Mais une sorte de nouvelle idée va être nécessaire pour fabriquer un ordinateur quantique à l’échelle commerciale. »
Le record mondial du nombre de qubits le plus élevé sur un seul appareil, IBM’s Eagle, s’élève actuellement à 127 qubits adressables – bien loin du chiffre d’un million de qubits que Microsoft prévoit être nécessaire. Et parce qu’IBM utilise des qubits basés sur transmon, les appareils de l’entreprise doivent être refroidis au zéro absolu (-273,15 ºC) pour protéger les qubits des interférences environnementales.
Un autre élément à noter est que, comme les qubits non topologiques sont particulièrement sensibles à la décohérence, ces architectures quantiques incluent généralement des qubits supplémentaires dont la seule fonction est de fournir une mesure des capacités de correction d’erreurs, ce qui signifie qu’ils ne sont pas directement utilisés dans les calculs. Ceci est inefficace, surtout si l’on considère les difficultés actuelles de mise à l’échelle du nombre de qubits. D’où le choix de Microsoft d’aller jusqu’au bout. Mais qu’est-ce que c’est si loin – qu’est-ce que qubits topologiques?
Absence de justificatif ≠ Justificatif d’absence
La première chose à retenir à propos des qubits topologiques est qu’ils ne se sont toujours pas matérialisés. Au lieu de cela, ils sont théorisés pour exister (comme nous l’avons couvert et exploré plus en détail ici) en tant que paires de modes zéro de Majorana (MZM), un type spécial de quasi-particule qui se comporte naturellement comme s’il ne s’agissait que de la moitié d’un électron. Il a été démontré que ces MZM se déposent sous forme de couche à la surface de matériaux supraconducteurs et présentent une résistance extrême au bruit environnemental (tel que la chaleur, les particules subatomiques parasites ou les champs magnétiques). Sans contrôle, ou non conçu contre, ce bruit environnemental conduit à la décohérence – le processus par lequel les qubits sortent de leur état de superposition et révèlent leur valeur. Lorsque les qubits révèlent leur valeur trop tôt, une erreur apparaît avant la fin du calcul.
La conception topologique du qubit de Microsoft comprend un fil en forme de U avec un mode Majorana zéro à chaque extrémité, offrant ainsi une séparation physique, à proximité d’un point quantique. Ce point quantique sert de mécanisme de contrôle car sa capacité change chaque fois qu’il interagit avec l’un des modes zéro de Majorana, ce qui permet de le mesurer. C’est la partie que Microsoft n’a toujours pas compris : sa conception n’a toujours pas intégré de point quantique.
La résilience des qubits topologiques vient du fait que les deux MZM (dans la conception de Microsoft, à chaque extrémité du fil en forme de U) sont responsables du codage des informations quantiques. Cependant, comme l’information n’est accessible qu’en regardant simultanément les états des deux quasi-particules, l’état du qubit ne décohère que si les deux MZM sont également affectés et « forcés » de révéler leur contenu. Et selon la conception technique, les chercheurs peuvent fournir une mesure de la distance entre les MZM, créant un espace entre eux qui réduit le risque de décohérence des deux particules.
Pour mieux visualiser cela, imaginez que vous êtes un méchant de classe mondiale et que vous écrivez le mot de passe de votre appareil apocalyptique sur un morceau de papier. Vous en donnez ensuite la moitié à deux de vos subordonnés de confiance (avant de l’oublier pour toujours). Quoi qu’il arrive, aucun d’entre eux ne peut divulguer le mot de passe, quelles que soient les méthodes appliquées pour révéler l’information. En termes quantiques, l’information est devenue non locale. La seule façon pour quelqu’un de récupérer votre mot de passe complet serait de prendre les deux informations et de les joindre pour révéler le résultat final. De manière extrêmement simplifiée, c’est ce qui confère aux MZM leur résilience à la décohérence.
Pour parvenir à la conception finale du fil supraconducteur qui permet tout cela, la recherche de Microsoft a dû simuler les matériaux et leur forme à travers 23 paramètres réglables. Cette étape nécessite d’énormes quantités de puissance de calcul, mais Microsoft possède l’un des réseaux informatiques les plus puissants au monde avec Azure. De plus, les simulations ont permis à l’équipe de Microsoft d’itérer rapidement sur les deux fronts, un processus qui aurait été irréalisable avec l’approche pratique de l’ingénierie des matériaux. Selon Nayak, « Si vous deviez trier [the materials] expérimentalement par essais et erreurs, vous ne seriez jamais en mesure d’optimiser tous ces paramètres dans un laps de temps raisonnable. »
En fin de compte, Microsoft a opté pour l’aluminium comme fil supraconducteur et l’arséniure d’indium comme semi-conducteur qui l’entoure, et l’entreprise fabrique elle-même les appareils. Cette nouvelle approche axée sur les données et les matériaux a été le ciment qui maintient ensemble l’approche de Microsoft en matière d’informatique quantique.
« Nous sommes maintenant guidés par des conceptions basées sur des simulations, et pas seulement sur quelqu’un qui bat des idées dans une salle de conférence », a déclaré Nayak. « Et maintenant, nous disposons des technologies de croissance et de fabrication uniques pour donner vie à ces idées. Peu importe si vous avez les meilleurs designs au monde – si vous ne pouvez pas les faire, ils restent simplement sur papier.
Il semble que l’intention de Microsoft d’être un fournisseur de matériel va bien au-delà de la Xbox et de sa division d’appareils – la société veut être celle qui fournit le matériel fondamental pour les systèmes informatiques quantiques, à la fois pour les installations sur site et dans les environnements cloud. Le matériel quantique de Microsoft pourrait très bien finir par alimenter un hypothétique produit Apple « iQuantum ». En théorie, bien sûr.
L’informatique du futur
Microsoft a des attentes concernant la densité de calcul des machines alimentées par ses futurs qubits topologiques : Microsoft affirme qu’un million de ces qubits peuvent être installés sur une plaquette plus petite que la puce de sécurité d’une carte de crédit. C’est encore une fois la révolution des transistors, mais avec des qubits.
Bien que Microsoft n’ait toujours pas livré de produit informatique quantique fonctionnel, nous devons nous rappeler qu’il s’agit de l’un des domaines les plus complexes possibles à une interception cauchemardesque entre la physique théorique, l’ingénierie pratique et l’économie pure. Mais il y a aussi un facteur critique : l’entreprise cède du terrain sur un marché estimé à 76 milliards de dollars d’ici 2030. Mais encore une fois, Microsoft devrait-il vraiment proposer un système informatique quantique ouvertement évolutif avant tout le monde ? , le marché se fiche de savoir qui s’est déplacé en premier dans l’espace.
Les experts dans le domaine de l’informatique quantique sont encore plus conscients de la faiblesse du statu quo pour les systèmes informatiques quantiques. L’un des critiques de la publication Nature 2018 retirée depuis, Marco Valentini, croyait à l’époque que les modes Majorana seraient éventuellement créés, détectés et exploités en tant que qubits – mais pas comme ils étaient présentés dans l’article rétracté de 2018.
Ce même document a fait l’objet d’une enquête par un comité d’experts indépendant qui n’a trouvé aucune preuve de falsification de données. En fin de compte, c’était la cause d’erreur la plus courante : l’échec humain. Les données originales sont tombées dans un biais de confirmation, comme l’ont noté les auteurs du rapport, écrivant que « le programme de recherche sur lequel les auteurs se sont lancés est particulièrement vulnérable à l’auto-tromperie, et les auteurs ne se sont pas prémunis contre cela ».
Microsoft sait ce qui est en jeu avec son choix de qubits – et était déjà plongé dans ses recherches lorsque tout le drame entourant le papier a explosé. C’est peut-être pour cette raison que Microsoft tient à défendre ses résultats : l’aile de recherche de l’entreprise disposait d’une équipe distincte pour analyser précisément les données de sortie afin d’éviter les biais de confirmation. Et la société a également soumis ses données de recherche à « un conseil d’experts de consultants indépendants », ce qui ressemble beaucoup à inviter des pairs éminents dans le domaine à examiner de manière constructive le travail du chercheur. Microsoft poursuit ses recherches topologiques sur les qubits tout en essayant d’isoler ses efforts des vices précédents.
« Il serait irresponsable de la part de la communauté des physiciens de décider maintenant que nous connaissons déjà le seul moyen », a déclaré Ady Stern de l’Institut Weizmann des sciences à Rehovot, en Israël, à Quanta Magazine. « Nous sommes à la page 10 d’un thriller, et nous essayons de deviner comment cela va se terminer. »
Avec ses qubits topologiques, Microsoft vise à être le BluRay du conflit des formats quantiques. Et ce sera peut-être le cas – l’entreprise semble être convaincue de la physique derrière son choix calculé. Le temps, comme toujours, nous le dira.