C’est peut-être le géant le plus discret de la course au calculateur quantique. Alors que Google, IBM, et plus récemment Amazon redoublent d’annonces sur leurs progrès, Microsoft reste en retrait. La société fondée par Bill Gates s’intéresse pourtant au sujet depuis… 1999.
Ses travaux s’intéressent autant à la fabrication d’un processeur quantique qu’aux logiciels et algorithmes le faisant fonctionner. L’objectif : "Fabriquer le hardware quantique et tous les algorithmes pour le programmer afin d'obtenir rapidement des résultats concrets lorsqu’il sera passé à l’échelle", explique Bernard Ourghanlian, directeur technique de Microsoft France.
Trouver le compromis entre qualité et quantité
Le laboratoire commun Microsoft – Inria existe depuis 2005 et s’est forgé une solide réputation. L’un de ses chercheurs, Leslie Lamport, est notamment lauréat du prix Turing 2013 et "beaucoup d’autres ont publié des résultats remarquables", rappelle Bernard Ourghanlian, citant notamment Georges Gonthier et sa démonstration du théorème des quatre couleurs.
En mai 2021, un événement organisé en visioconférence a permis d’officialiser l’entrée de l’algorithmie quantique dans leur collaboration, via deux nouveaux projets. L’un porte sur les modèles dits de marche quantique, qui appliquent les spécificités de la physique quantique aux modèles mathématiques de marche aléatoire, utilisés dans la finance, la mécanique des fluides ou encore la chimie.
L’autre – plus facilement compréhensible – cherche à développer des systèmes de correction d’erreur des qubits. "Ce projet vise à trouver le compromis entre quantité et qualité de bits quantiques", souligne le directeur technique, qui rappelle que la plupart des processeurs quantiques actuels, très sensibles aux erreurs, ont besoin de 10 000 à 100 000 qubits physiques pour obtenir une seule unité logique. "Cela nécessite énormément de moyens physiques pour réaliser des calculs de faible ampleur", souligne-t-il.
Fermions de Majorana
Face à cette approche, qui consiste à empiler des qubits imparfaits et à corriger de nombreuses erreurs, Microsoft tente "une approche très différente de toutes les autres", explique Bernard Ourghanlian. "Nous cherchons à créer des qubits dits topologiques qui, dans un contexte particulier, peuvent être immunisés contre les problèmes de décohérence", détaille-t-il.
Pour cela, le géant se base sur une quasi-particule controversée : le fermion de Majorana, dont l’existence a été théorisée il y a plus de 80 ans, mais jamais prouvée… jusqu’en 2018. Là, le physicien Hollandais Leo Kouwenhoven, financé par l’entreprise, dit avoir observé une preuve de sa présence. Avant de se dédire, en mars 2021, après que la communauté scientifique eut repéré des incohérences dans ses données.
Pas de quoi stopper la firme. "Nous n’avons absolument pas abandonné cette voie de recherche", affirme Bernard Ourghanlian, qui assure que l’existence des fermions de Majorana a été prouvée entre-temps"et qu’il n’y a plus de débat".
La technologie utilisée dans les qubits de Microsoft se base sur des nanofils refroidis à l’extrême et soumis à un champ magnétique intense. "Là, nous faisons entrer les qubits dans un état topologique, intrinsèquement robuste contre les productions locales de bruit", argue le directeur technique.
Comprendre : contrairement à leurs alternatives supraconductrices, ces bits quantiques ne craignent pas les interférences de leurs voisins. Mais ils restent sensibles à celles du monde extérieur, ce qui explique leur refroidissement extrême, à 15 milli Kelvins. "Si elle est très difficile à résoudre au niveau technique, la voie que nous avons choisie permet de créer des qubits parfaits et de passer facilement à l’échelle", explique-t-il.
Unités de contrôle et langage de programmation
Pour faciliter l’émergence de sa machine, Microsoft s’est associé avec le fabricant de semi-conducteurs Intel "pour créer des unités de contrôle de qubits qui permettent, avec seulement trois fils, de contrôler des dizaines de milliers d’unités logiques", relate Bernard Ourghanlian.
Cette alternative aux forêts de milliers de câbles des calculateurs de Google et IBM – qui impliquent des difficultés de refroidissement de leurs systèmes – se base sur des technologies non-quantiques fonctionnant à des températures extrêmes, de l’ordre de 3 à 4 Kelvins, pouvant donc être installées au plus proche du processeur quantique.
En attendant d’avoir sa propre machine, Microsoft donne accès, via son service cloud Azure Quantum, aux processeurs quantiques de Honeywell, IonQ et Quantum Circuits. L’occasion de développer des outils facilitant leur usage. "Les langages de programmation quantique actuels sont très bas niveau [proches du langage de la machine], explique Bernard Ourghanlian. Notre approche est de proposer un langage de haut niveau [proche du langage humain] qui s’adapte aux particularités des différents processeurs."
Nommé Q# (prononcez Q Sharp), ce langage open source est mis à jour régulièrement depuis sa présentation en 2017 et est déjà utilisé pour exploiter les machines présentes dans le cloud Microsoft. Il permet par ailleurs de mesurer le nombre de qubits logiques nécessaires à la réalisation d’un algorithme. De quoi faciliter le développement d’algorithmes quantiques… et estimer le temps qu’il faudra attendre avant de les mettre en œuvre.
