Microsoft a récemment dévoilé sa nouvelle puce quantique de nouvelle génération, Majorana 2. Le fabricant affirme que le temps de cohérence moyen des qubits sur cette puce atteint 20 secondes, une fiabilité 1000 fois supérieure à celle de la génération précédente. Sur cette base, Microsoft a lancé une déclaration fracassante : « D'ici 2029, nous disposerons d'un ordinateur quantique évolutif ayant une valeur commerciale. » L'année dernière encore, les prévisions dominantes dans le secteur évoquaient « d'ici dix ans ». Microsoft vient donc de diviser ce délai par deux.
Au cours du développement de cette puce, Microsoft s'est largement appuyé sur son IA agentique de la plateforme « Microsoft Discovery », permettant à une équipe d'IA de collaborer comme un groupe de recherche humain, en analysant de manière autonome des volumes massifs de données expérimentales, en émettant des hypothèses et en optimisant les procédés de fabrication. D'un côté, une percée matérielle en calcul quantique, de l'autre, une assistance logicielle par l'intelligence artificielle, les deux domaines les plus avancés sont en train de se renforcer mutuellement.
Qu'est-ce qu'une puce quantique ?
Une puce quantique manipule des qubits. Un qubit peut être dans un état de superposition de 0 et 1 ; avant mesure, il est comme une pièce de monnaie en rotation, portant simultanément la possibilité d'être 0 et 1. L'état de superposition de deux qubits peut contenir les quatre possibilités 00, 01, 10, 11 ; pour trois qubits, cela correspond à huit possibilités... et ainsi de suite, l'état quantique de n qubits est de dimension 2^n. Ensuite, par des opérations soigneusement conçues, les portes quantiques (portes logiques en calcul quantique) manipulent la phase de l'état quantique, provoquant une interférence des amplitudes de probabilité dans la superposition, amplifiant ainsi la réponse correcte. C'est la raison pour laquelle on dit que l'ordinateur quantique possède une « puissance de calcul exponentielle ».
En outre, deux qubits intriqués présentent une corrélation particulière : en mesurant l'un, l'état de l'autre se détermine instantanément, quelle que soit la distance qui les sépare. En exploitant ces propriétés quantiques, les ordinateurs quantiques pourraient accomplir des tâches difficiles à réaliser efficacement pour les ordinateurs classiques.
La puce quantique est le processeur spécialement conçu pour générer, manipuler et mesurer ces qubits. Elle n'utilise pas de transistors traditionnels, mais capte les états quantiques via des circuits supraconducteurs, des ions piégés, des photons ou même des matériaux topologiques, les faisant calculer selon une logique définie par l'homme, c'est-à-dire les portes quantiques.
Les faiblesses de la puce quantique
Bien que puissants, les qubits présentent une faiblesse fatale : ils sont extrêmement sensibles et fragiles.
L'état de superposition d'un qubit, s'il est légèrement perturbé par l'environnement (comme des fluctuations de température, des radiations électromagnétiques ou des rayons cosmiques), s'effondre instantanément en un 0 ou un 1 déterminé, perdant ainsi sa capacité de calcul parallèle. Ce phénomène est appelé décohérence.
Avant la puce Majorana 1 de Microsoft, la durée de vie typique des qubits supraconducteurs dominants n'était que de quelques dizaines de microsecondes. Autrement dit, à peine préparé, avant même d'avoir effectué quelques calculs, le qubit « meurt ». Par conséquent, un indicateur clé de la qualité d'une puce quantique est la durée de vie des qubits, également appelée temps de cohérence.
L'annonce par Microsoft d'un temps de cohérence de 20 secondes a provoqué des réactions sismiques dans le secteur. Car pour les opérations quantiques, 20 secondes représentent déjà un chiffre astronomique. Il faut savoir qu'exécuter une opération de porte quantique ne prend qu'une microseconde (un millionième de seconde). 20 secondes signifient que l'on peut effectuer vingt millions d'opérations, ce qui est théoriquement suffisant pour exécuter des algorithmes quantiques assez complexes. Microsoft a même fait une comparaison frappante : « Cette amélioration équivaut presque à inventer une batterie de téléphone portable qui, au lieu de durer un jour, tient près de trois ans après une seule charge. »
20 secondes n'est qu'une moyenne, certains qubits pouvant même se maintenir pendant une minute. La génération précédente, Majorana 1, n'atteignait qu'un temps de cohérence de l'ordre de la milliseconde, d'où l'affirmation de Microsoft d'une « fiabilité améliorée de 1000 fois ».
Alors, comment Microsoft a-t-il fait ? La réponse se cache dans sa feuille de route technologique : le calcul quantique topologique.
L'arme secrète de Microsoft : le qubit topologique
La plupart des puces quantiques dominantes, comme celles de Google et d'IBM, utilisent des qubits supraconducteurs. Cette technologie est relativement mature, mais pour éviter les interférences environnementales, elle nécessite des températures extrêmement basses, proches du zéro absolu (-273 °C), et présente une courte durée de vie, sujette aux erreurs.
Microsoft a passé 20 ans à emprunter une voie plus difficile mais théoriquement plus avantageuse : le qubit topologique.
Sur une feuille de papier, percez un ou deux trous, froissez la feuille en boule, le papier se déforme, mais les trous restent là. Un trou ne devient pas deux trous, deux trous ne fusionnent pas en un seul ; le nombre de trous sur la feuille est une invariante topologique. De même, le fait de tresser deux cordes ensemble, l'ordre dans lequel les cordes échangent leurs positions est aussi une invariante topologique. Le qubit topologique exploite justement cette invariance topologique pour protéger l'information quantique. L'information n'est pas stockée sur des particules spécifiques, mais dans la texture de tressage résultant de l'échange de positions entre des quasiparticules (une excitation collective d'un système de particules). Ce mode de stockage est non local, ce qui signifie que des perturbations mineures comme le bruit ou la chaleur ont du mal à détruire la structure topologique globale. Par conséquent, les qubits topologiques sont intrinsèquement bien moins sensibles au bruit environnemental et sont beaucoup plus stables que les autres types de qubits.
La quasiparticule utilisée par Microsoft porte un nom légendaire : le fermion de Majorana. En 1937, le physicien italien Ettore Majorana a prédit l'existence d'un fermion particulier dont l'antiparticule serait elle-même. Cette particule n'a pas encore été découverte. Au début du XXIe siècle, les scientifiques ont commencé à en chercher une analogie en physique de la matière condensée : un mode appelé mode de Majorana à énergie nulle. Lorsque des modes de Majorana à énergie nulle échangent leurs positions dans un espace bidimensionnel, l'état quantique global change ; l'ordre des échanges influence le résultat final, un peu comme différentes façons de tresser les cheveux donnent des tresses différentes.
En 1997, le physicien Alexei Kitaev, alors à l'Institut Landau en Russie, a été le premier à proposer la théorie de l'utilisation des fermions de Majorana pour le calcul quantique topologique. En 2005, Microsoft a créé Station Q, Kitaev en étant l'un des membres fondateurs. Microsoft s'est ainsi engagé sur cette voie technologique, y consacrant près de 20 ans. En 2025, Microsoft a publié la première puce Majorana, prouvant la faisabilité en principe du qubit topologique. Ils ont révolutionné l'utilisation de supraconducteurs topologiques, permettant de créer un nouvel état de la matière pour un calcul quantique plus stable. Aujourd'hui, Majorana 2 transforme ce principe en un véritable bond de performance.
Une amélioration clé réside dans le changement de matériau : le supraconducteur topologique de la première puce Majorana utilisait de l'aluminium, tandis que la seconde génération utilise du plomb. Le plomb est couramment utilisé comme matériau de blindage contre les radiations. En l'utilisant comme supraconducteur, on peut considérablement épaissir le bouclier du qubit, protégeant l'état quantique fragile des interférences des rayons cosmiques. Cette modification, qui peut sembler peu révolutionnaire, combinée à l'optimisation par l'IA de centaines de paramètres de fabrication, a finalement permis une amélioration de la fiabilité de 1000 fois.
Cependant, Majorana 2 ne compte actuellement que 12 qubits intégrés. Pour réaliser un ordinateur quantique universel ayant une valeur commerciale, le secteur estime généralement qu'il faut au moins un million de qubits. Passer de 12 à 1 million implique de surmonter d'innombrables défis techniques et physiques. Le fait que Microsoft ose annoncer 2029 montre leur grande confiance dans leur approche topologique. En effet, en théorie, la surcharge de correction d'erreurs des qubits topologiques est bien inférieure à celle des autres solutions dominantes. Une fois mis en pratique, ils pourraient se concrétiser plus rapidement que les autres approches.
L'IA à l'honneur : comment l'IA agentique accélère le développement des puces quantiques
L'amélioration de 1000 fois de la fiabilité réalisée par Microsoft cette fois-ci bénéficie également d'un « coup de pouce » indéniable : l'IA agentique. Microsoft dispose de la plateforme Microsoft Discovery. La capacité centrale de cette plateforme est de déployer des IA agentiques, c'est-à-dire plusieurs agents d'IA pouvant jouer différents rôles, comme analyste de données, concepteur d'expériences ou chercheur documentaire, accomplissant de manière autonome des flux de travail de recherche sous la direction de scientifiques humains.
Tout commence avec le matériau au cœur de la puce Majorana. La première génération utilisait de l'aluminium comme supraconducteur, tandis que la deuxième génération utilise du plomb. Changer de matériau affecte tout le système, et l'équipe a passé plusieurs années à explorer les divers compromis. Trouver la formulation de dopage précise nécessitait des centaines, voire des milliers d'expériences. Désormais, l'IA délimite d'abord les cibles à haute probabilité par simulation ; idéalement, une seule expérience peut suffire.
Ce n'est que le début. La fabrication d'une puce quantique implique d'innombrables étapes : logiciel, architecture, empilement de matériaux, procédés, mesure, etc. La modification d'un paramètre peut provoquer un effet domino. Les ingénieurs humains ont du mal à surveiller simultanément toutes les variables, mais les agents d'IA le peuvent. Plus crucial encore, l'équipe quantique de Microsoft a accumulé près de vingt ans de données expérimentales massives, dans des formats divers, dispersées entre des scientifiques de différents pays et de différentes spécialités. Les agents d'IA peuvent les synthétiser à nouveau et trouver des corrélations invisibles pour nous, humains, car aucune personne ne possède une vue aussi large.
L'autre atout majeur de l'IA est l'accélération des expériences. La création d'un état quantique topologique nécessite d'ajuster simultanément des centaines de paramètres de tension, puis d'effectuer des mesures, et la mesure est précisément l'étape la plus longue et la plus délicate du calcul quantique. Auparavant, un scientifique mettait plusieurs semaines à effectuer manuellement une série de mesures. L'équipe avait tenté une automatisation avec des méthodes d'apprentissage automatique précoces, sans succès. Ce n'est qu'après avoir formé un agent d'IA spécialisé sur la plateforme Microsoft Discovery qu'ils ont réduit le cycle complet de plusieurs ordres de grandeur. L'IA peut balayer en parallèle tout l'espace des paramètres, déterminant automatiquement où se trouve le point minimal permettant un fonctionnement normal, puis le localiser avec précision.
Enfin, l'IA a également aidé l'équipe à résoudre le problème du « bruit fantôme ». Une fois, les données expérimentales étaient toujours incohérentes, et les scientifiques ont longtemps cherché sans trouver la cause. Plus tard, un agent d'IA a synthétisé le modèle physique, les journaux d'appareils et les connaissances des procédés, extrayant des données brutes un capteur de température non calibré qui perturbait silencieusement les résultats de mesure.
On peut dire que sans la participation de l'IA, le bond de performance de 1000 fois de Majorana 2 aurait pu prendre encore plusieurs années à se réaliser. Cela confirme également un consensus en formation : le calcul quantique et l'intelligence artificielle peuvent se renforcer mutuellement. L'IA accélère le développement du matériel de calcul quantique, et les futurs ordinateurs quantiques soutiendront à leur tour l'IA en fournissant une puissance de calcul exponentielle pour l'apprentissage automatique.
Le rêve pourra-t-il se réaliser ?
Sur ce terrain de compétition, Microsoft n'est pas le seul participant. Les chemins vers « l'autre rive quantique » ne se limitent pas à la puce quantique topologique ; il existe également les puces quantiques supraconductrices, à ions piégés, photoniques et à spins dans le silicium. Les gouvernements intensifient également leurs investissements. La Chine a des projets à grande échelle dans les domaines de la communication quantique et du calcul quantique ; les États-Unis accordent des subventions importantes aux entreprises de calcul quantique ; l'Union européenne a également lancé le programme « Quantum Flagship ».
En 2029, Microsoft pourra-t-elle réellement créer un ordinateur quantique de niveau commercial ? Paul Stevenson, professeur de physique à l'Université du Surrey au Royaume-Uni, commente que Microsoft semble avoir réalisé une percée dans la fabrication de qubits fiables. Si les résultats résistent à l'examen, ce délai semble raisonnable. Mais en même temps, de nombreux scientifiques souhaitent voir plus de données détaillées ayant passé l'examen par les pairs, car les articles connexes publiés par Microsoft à cette occasion n'ont pas encore terminé le processus d'examen par les pairs.
Bien sûr, derrière la déclaration tapageuse et l'enthousiasme de Microsoft, plusieurs points méritent une réflexion plus froide. Premièrement, 20 secondes, est-ce suffisant ? Un temps de cohérence de 20 secondes représente certes un bond prodigieux par rapport à quelques dizaines de microsecondes. Mais les algorithmes quantiques pratiques nécessitent des centaines de millions d'opérations de portes quantiques. Même en comptant une microseconde par opération, 20 secondes ne permettent que vingt millions d'étapes, ce qui est encore éloigné de plusieurs ordres de grandeur des nombres requis pour casser le chiffrement RSA ou simuler précisément des molécules pharmaceutiques. Rappelons que la décohérence est une limite imposée par les lois de la physique, que l'ingénierie ne pourra jamais totalement éliminer. Deuxièmement, le problème du coût de compilation. Chaque fois qu'on utilise un ordinateur quantique pour résoudre un problème, il faut d'abord effectuer une compilation sur un ordinateur classique, traduisant le problème en un circuit quantique spécifique, puis résoudre des équations en fonction des paramètres de la puce quantique pour obtenir les séquences d'impulsions électromagnétiques correspondant aux portes quantiques. Ce processus de compilation n'est pas universel ; il est unique à chaque problème, et la puissance de calcul classique consommée par la compilation elle-même peut être proche, voire supérieure, au coût de résolution directe par des méthodes classiques. Troisièmement, que se passe-t-il si l'ordinateur quantique fournit une réponse erronée ? L'homme ne peut pas la vérifier avec un ordinateur classique (si c'était possible, on n'aurait pas besoin de l'ordinateur quantique). En fin de compte, si la réponse est fausse, on ignore où se situe l'erreur.
Le rêve de construire un ordinateur quantique commercial ressemble à une botte suspendue en l'air, tardant à toucher le sol. Un jour, même si elle touche le sol, ce ne sera peut-être qu'un bruit sourd. En parcourant l'histoire des sciences, le progrès technologique ressemble parfois à « planter un saule sans intention qu'il prospère, vouloir cultiver une fleur mais échouer ». Ce sur quoi on fonde de grands espoirs ne se réalise pas forcément, tandis que les solutions et les percées se trouvent peut-être là où on ne les attend pas.
Références
https://news.microsoft.com/source/features/innovation/majorana-2-microsoft-discovery-agentic-ai/
https://www.bluequbit.io/blog/quantum-chips
https://www.bbc.com/news/articles/cj4p7gyvp52o
https://zhuanlan.zhihu.com/p/2035004303467917427?share_code=14f9XN3e5wlBq&utm_psn=2035105136662553502&utm_source=wechat_session&utm_medium=social&s_r=0&wechatShare=1
Cet article provient du compte WeChat : 心智观察所 , Auteur : 心智观察所
