Introduction

Si elle parvient un jour à dépasser le stade de prototype, la puce quantique Majorana 1 de Microsoft pourrait révolutionner le domaine spécifique de l'informatique quantique.

Des plus ambitieux, ce projet vise à exploiter les propriétés des particules de Majorana pour créer des qubits (quantum bits) robustes et fiables qui permettraient l'émergence d'applications révolutionnaires dans le domaine du calcul et de la cryptographie.

Le domaine est si prometteur que de nombreux géants de la tech (Microsoft, Google, IBM, Intel, Amazon) mais aussi de plus modestes entreprises comme D-WAWE ou encore Rigetti Computing, sont sur les rangs, sans oublier des entreprises chinoises, beaucoup plus discrètes, comme QuantumCTeK, ou China Telecoms Quantun Group.

Les origines de l'informatique quantique

L'informatique quantique est un domaine émergent, qui tire parti des principes de la mécanique quantique, pour effectuer des calculs complexes beaucoup plus rapidement que les ordinateurs actuels.

Les premiers concepts de cette spécialité remontent aux années 1980 avec des figures de proue, comme Richard Feynam et David Deutsch, pour ne citer que les plus connus, mais aucun prototype ne pouvait être sérieusement construit avec le matériel de l'époque.

Un peu de théorie pour comprendre ?

Contrairement aux bits classiques qui ne peuvent avoir que deux valeurs (0 ou 1), soit les fondements du langage binaire traditionnel, les qubits (bits quantiques), eux, peuvent exister dans un état superposé, permettant ainsi une représentation simultanée des chiffres 1 et 0.

Cette caractéristique particulière permet aux ordinateurs quantiques de traiter une grande quantité d’informations en parallèle, à condition de maîtriser tous les inconvénients de l’infiniment petit…

De plus, l'intrication quantique permet de lier deux qubits de manière telle que l'état de l'un affecte instantanément l'état de l'autre, même s'ils sont séparés par de grandes distances, ce qui est pour le moins contre-intuitif.

Stables ces qubits ?

Cependant, pour prometteurs qu’ils soient, les qubits sont extrêmement sensibles aux perturbations environnementales : vibrations, variations de température, interférences électromagnétiques, tout ceci peut entraîner des erreurs dans les calculs quantiques.

Les chercheurs de Microsoft ont donc exploré diverses approches pour stabiliser les qubits, notamment l'utilisation de particules de Majorana, qui ont donné leur nom à la puce elle-même.

Les particules de Majorana

Les particules de Majorana, théorisées pour la première fois par le physicien italien Ettore Majorana en 1937, sont des fermions (éléments de la matière) qui sont leurs propres antiparticules.

Leur existence a été confirmée expérimentalement lors d'une expérience qui a eu lieu en 2012 par un groupe de scientifiques aux Pays-Bas dirigé par Leo Kouwenhoven, même si une controverse existe encore sur le sujet.

Cette percée, si elle est avérée, ouvrirait de nouvelles perspectives pour explorer l'utilisation de ces particules en informatique quantique et conduit au développement du chip quantique Majorana 1.

Caractéristiques des particules de Majorana

Les particules de Majorana possèdent effectivement des propriétés topologiques uniques, ce qui les rendent particulièrement résistantes aux perturbations, notamment aux décohérences causées par l'environnement, épouvantail récurent des prototypes d'ordinateurs quantiques.

Logiquement, ces particules peuvent donc être utilisées pour créer des qubits topologiques, qui sont beaucoup moins sensibles aux erreurs que les qubits conventionnels.

Genèse

Microsoft a initié le projet Majorana en 2016 afin de concevoir une puce quantique qui repose sur les caractéristiques particulières des particules de Majorana.

La puce Majorana 1 est le fruit de plusieurs années de recherche et de collaboration entre des équipes de physiciens, d'ingénieurs en informatique et de mathématiciens.

Largement ouvert, le projet a bénéficié du soutien de partenaires académiques et industriels, ainsi que de financements publics et privés, en plus de la férule de Microsoft.

Innovation et conception architecturale

La puce Majorana 1 exploite des nanofils semi-conducteurs enveloppés de supraconducteurs pour produire des qubits topologiques. Ces nanofils sont construits à partir d’éléments tels que l’indium et l’arséniure de gallium qui bénéficient de caractéristiques électroniques propices à la création de particules de Majorana.

Les qubits topologiques présentent une stabilité supérieure à celle des qubits classiques et permettent d'exécuter des calculs quantiques avec une précision améliorée. De plus, la puce a été créée pour opérer dans des conditions de température extrêmement basse, proche du zéro absolu, afin de réduire au minimum les effets des variations thermiques.

Afin de saisir la situation dans son ensemble, il est important de noter qu’en plus des états classiques de la matière - solide, liquide et gazeux - il en existe d'autres, tel que le plasma et le condensat de Bose-Einstein, notamment. Chacun de ces états se définit par le comportement des atomes qui le constituent, et la firme de Redmond prétend avoir utilisé un nouvel état de la matière appelé « état topologique de Majorana. »

Le géant Microsoft aurait donc réussi à observer cet état en axant ses recherches sur un fermion qui est sa propre antiparticule : la particule de Majorana.

Grâce à cette supraconductivité topologique, Majorana 1 promet d’être plus robuste que les puces quantiques existantes, selon une étude publiée dans la revue scientifique Nature.

Enfin, Microsoft vise à intégrer jusqu'à un million de qubits sur une seule puce, ce qui est, à proprement parler, une quantité phénoménale comparée aux autres projets concurrents.

Une capacité de calcul aussi importante permettrait de résoudre des problèmes complexes à grande échelle, tels que l'évolution de l'univers ou encore la décomposition des microplastiques dans les océans, des calculs qui sont actuellement hors de portée des superordinateurs actuels.

Applications potentielles

La puce Majorana 1 ouvre la voie à de nombreuses applications :

• La cryptographie quantique utilise les concepts d'intrication et de superposition quantiques pour garantir des méthodes de chiffrement extrêmement sûres.
• La modélisation de systèmes moléculaires complexes, accélérant la recherche de nouveaux matériaux et médicaments, en permettant de visualiser et de comprendre les interactions au niveau atomique.
• L'optimisation des processus industriels, améliorant l'efficacité et la durabilité en résolvant des problèmes d'optimisation complexes, tels que la gestion prédictive des ressources et la logistique, notamment.
• L'intelligence artificielle et l'apprentissage automatique, en exploitant la puissance des ordinateurs quantiques pour traiter et analyser de grandes quantités de données de manière plus efficace, ouvrant la voie à une IA générale, Graal des Datascientists.

Débats

Comme indiqué plus haut, la question de savoir si les particules de Majorana existent ou non fait toujours l’objet de controverses dans la communauté scientifique.

Pourtant, des scientifiques des universités Delft et Princeton ont observé des phénomènes pouvant correspondre à des particules Majorana ; cependant ces découvertes suscitent encore le doute.

Perspectives

Malgré ces avancées prometteuses, la puce quantique Majorana 1 de Microsoft doit encore surmonter de multiples écueils avant de pouvoir être commercialisée à grande échelle.

Parmi ces obstacles figure le besoin de refroidir les nanofils à des températures extrêmement basses, proches du zéro absolu, pour assurer la cohérence quantique et minimiser les erreurs.

De plus, la fabrication et l'intégration des nanofils semi-conducteurs et des supraconducteurs nécessitent des techniques de pointe et des équipements sophistiqués particulièrement onéreux.

Dès lors, et à supposer qu’elle soit viable, le développement de cette technologie fait encore face à certaines limites techniques, sans même parler des algorithmes spécialisés qui sont encore à développer.

Conclusion

La puce quantique Majorana 1 de Microsoft pourrait représenter une étape majeure dans l'évolution de l'informatique quantique.

En effet, et pour la première fois, une puce quantique exploiterait un nouvel état de la matière, ce qui lui conférerait des propriétés et des performances uniques, à condition que cela soit démontré après l’effet d’annonce.

Il n’est pas moins certain qu’en ce début de 21^e siècle, un vent de convergence souffle sur les nouvelles technologies : IA, robotique, informatique quantique, pour ne citer que les plus évidentes.

Pris séparément, les deux premières sont en passe de devenir une réalité sociétale et commerciale. La troisième, l’ordinateur quantique, semble en voie de réalisation...

Maintenant, imaginez-les ensemble, et laissez-vous porter par votre imagination…

Tout serait possible ou presque, pour le meilleur ou pour le pire, selon votre foi en l’humanité.