Tout vient à point à qui sait attendre… Au bout d’une vingtaine d’années de R&D, Microsoft s’invite dans la course à l’ordinateur quantique de façon concrète. L’entreprise américaine a dévoilé ce 19 février sa première puce quantique, baptisée Majorana 1, dont les 8 bits quantiques (qubits) reposent sur un système dit « topoconducteur » – ou supraconducteur topologique – d’un nouveau genre.
Le système en question résulte de la superposition d’une couche d’un composé semiconducteur (de l’arséniure d’indium) et d’une couche d’aluminium. Microsoft le fabrique sous la forme de nanofils - des structures 1D – qui, une fois placés dans un cryostat, sont refroidis à une dizaine de millikelvins et contrôlés par des champs magnétiques.
Dans ces conditions, à chaque extrémité des nanofils se manifestent des modes zéro de Majorana (MZM), du nom de la particule très étrange – une particule qui est sa propre antiparticule - que le physicien italien Etorre Majorana a théorisée en 1937.
Ces MZM sont plus exactement des quasi-particules, soit dans le cas présent une collection d’électrons qui se comportent collectivement comme une seule particule.
L'information quantique, une affaire de parité
Les chercheurs de Microsoft avaient réussi, en 2024, à les créer puis à les stabiliser dans ces structures topoconductrices. L’information quantique d’un qubit est ici encodée en fonction de la parité du nanofil, à savoir le nombre pair ou impair d’électrons qu’il contient. Si Microsoft s’accroche aux MZM depuis tant d’années, c’est qu’elles sont intrinsèquement protégées contre les erreurs qui pénalisent les calculs quantiques.
Comme dans les qubits supraconducteurs actuels, promus par Google, IBM ou encore Amazon, les électrons circulent par paire (des paires de Cooper) dans les nanofils des qubits topologiques. Cependant, dans le premier cas, la rupture de ces paires de Cooper, provoquée par la radioactivité ambiante voire un rayon cosmique, entraîne une décohérence du qubit, c’est-à-dire la perte de son information quantique.
Protection intrinsèque contre les erreurs
D’après le blog accompagnant l’annonce de la puce Majorana 1, rédigé par Chetan Nayak, vice-président du hardware quantique de Microsoft, un qubit topologique serait quasi-insensible à un tel évènement : tout électron redevenu célibataire est en quelque sorte « partagé » dans les deux MZM délimitant le nanofil.
Chetan Nayak relève notamment que la fréquence d’une erreur modifiant la parité du qubit (une erreur de type « bit flip » dans le lexique du calcul quantique), due à un rayonnement électromagnétique externe, serait de 1 fois par milliseconde. De quoi assurer une grande stabilité de l’information quantique.
Cependant, la nouveauté introduite par la puce Majorana 1, et qui fait l’objet d’un article dans Nature, est que Microsoft a trouvé le moyen de lire de manière fiable l’état du qubit. Un moyen qui permet de distinguer « un milliard de un milliard et un électrons », pour reprendre la formulation de Chetan Nayak.
Lecture et contrôle numériques
L’astuce repose sur une boîte quantique (quantum dot), en l’occurrence un condensateur miniature à base de matériaux semi-conducteurs, qui est connecté aux deux extrémités d’un nanofil. La capacité de cette boîte quantique à stocker de la charge électrique est alors directement liée à la parité du nanofil.
L’information est lue grâce à la réflexion d’une impulsion microonde sur ce point quantique. Le taux d’erreur de cette mesure est de 1%, un niveau que Microsoft compte réduire « significativement ».
Selon Chetan Nayad, cette technique de lecture et de contrôle du qubit est de nature numérique – un interrupteur on/off – et diverge de la méthode analogique habituelle. Un atout pour simplifier la correction d’erreurs quantiques (QEC), d’après lui.
La QEC, tendance forte ces dernières années, ferait advenir le calcul quantique « tolérant aux fautes », en mesure d’exécuter les longs et complexes algorithmes requis par de véritables problématiques industrielles.
Un nouveau qubit est dans la place : le tetron
C’est aussi l’objectif de Microsoft, affiché dans sa feuille de route, sans échéance claire toutefois. Il repose sur une architecture de qubit appelée tetron, présentée dans une prépublication scientifique.
Le tetron, qui peut être considéré comme un cousin très éloigné du transmon supraconducteur de Google et IBM, prend la forme d’un H : deux nanofils topologiques en parallèle reliés en leur centre par un nanofil transversal plus standard.
Microsoft a démontré expérimentalement non seulement la lecture de parité d’un nanofil mais aussi la possibilité de contrôler et de lire la superposition d’un état pair et impair.
La démonstration d'un qubit logique, prochaine étape
La prochaine étape pour Microsoft sera de fabriquer une grille de 4x2 tetrons pour exécuter des opérations (portes) impliquant deux qubits (intrication, l’autre pilier du calcul quantique) et l’intégration d’un premier code de correction d’erreurs quantiques, ce qui aboutirait à la démonstration de deux qubits logiques. Un qubit logique, notion abstraite, est un qubit conservant plus longtemps l’information quantique que les qubits physiques qui le composent.
Outre la protection native de ses qubits topologiques contre les erreurs, Microsoft valorise la rapidité des opérations, de l’ordre de la microseconde, ainsi que la petite taille de ces qubits : 5x3 micromètres, à comparer aux 100x100 micromètres d’un qubit supraconducteur.
De là, Microsoft affiche une certaine confiance pour en loger un million sur une puce, qui renfermerait aussi l’électronique de contrôle nécessaire. Il sera intéressant de voir si ce « retardataire » va vraiment bousculer l’échiquier du calcul quantique.
