Les scientifiques de Microsoft ont construit une nouvelle puce informatique quantique en utilisant une catégorie spéciale de matériaux capable de puiser dans un nouvel état de matière. Cette percée pourrait permettre aux chercheurs de construire une seule puce avec des millions de qubits fiables beaucoup plus tôt que les experts ne l’avaient prédit – peut-être en quelques années que dans des décennies.
Le nouveau unité de traitement quantique (QPU), appelé «Majorana 1», est une puce prototype de huit qubit construite à partir du premier matériau du genre dans le monde – un conducteur topologique ou topoconducteur. Cela peut atteindre l’état de matière « topologique » et exploiter les lois mécanique quantique Dans les bonnes conditions afin de traiter les 1 et 0 de données informatiques dans un ordinateur quantique.
Le nouveau type de qubit, appelé «qubit topologique», est stable, plus petit, moins dressing et plus évolutif qu’un qubit fabriqué à partir d’un métal supraconducteur – Le type de qubit le plus courant utilisé dans ordinateurs quantiques construit par des entreprises telles que Google, Ibmet Microsoft lui-même.
« Nous avons pris un pas en arrière et avons dit » OK, inventons le transistor pour l’âge quantique. Quelles propriétés a-t-elle besoin? « », » Chetan NayakMicrosoft Technical Fellow et professeur de physique à l’Université de Californie Santa Barbara, dans un communiqué. « Et c’est vraiment ainsi que nous sommes arrivés ici – c’est la combinaison particulière, la qualité et les détails importants de notre nouvelle pile de matériaux qui ont permis un nouveau type de qubit et, finalement, toute notre architecture. »
La fabrication de ce QPU n’a été possible qu’après que les chercheurs, pour la première fois, aient utilisé l’architecture pour observer et contrôler définitivement une particule subatomique énigmatique avec des propriétés spéciales appelées « Majorana Fermion » ou « Majorana Zero Mode » (MZM), théorisée par mathématicien Ettore Majorana en 1937.
Les scientifiques ont déjà essayé de créer des fermions Majorana à utiliser pour un nouveau type d’informatique quantique. Explorations du Majorana Fermion et de son Utilisation proposée dans les ordinateurs quantiques courir de nombreuses années, y compris un Découverte de la particule en 2012 et dans Avril 2024. Scientifiques dans Juin 2023 a également publié une étude signalant la découverte de l’état topologique de la matière.
La théorie de Majorana a proposé qu’une particule pourrait être son propre antiparticule. Cela signifie qu’il est théoriquement possible de rapprocher deux de ces particules, et ils s’annifleront mutuellement dans une libération massive d’énergie (comme c’est normal) ou peuvent coexister de manière stable lors de la jumelage ensemble – les amortir pour stocker des informations quantiques.
Ces particules subatomiques n’existent pas dans la nature, donc pour les pousser, les Microsoft scientifiques ont dû faire une série de percées dans la science des matériaux, les méthodes de fabrication et les techniques de mesure. Ils ont décrit ces découvertes – l’aboutissement d’un projet de 17 ans – dans une nouvelle étude publiée le 19 février dans la revue Nature.
Ceci est un «transistor pour l’âge quantique»
La principale parmi ces découvertes a été la création de ce topoconducteur spécifique, qui est utilisé comme base du qubit. Les scientifiques ont construit leur topoconducteur à partir d’une pile de matériaux qui combinait un semi-conducteur en arséniure d’indium (généralement utilisé dans des appareils comme les lunettes de vision nocturne) avec un supraconducteur en aluminium.
Les chercheurs avaient besoin de la bonne combinaison de ces composants pour déclencher la transition souhaitée vers le Nouveau sondage topologique de la matière. Ils devaient également créer des conditions très spécifiques pour y parvenir – à savoir les températures proches zéro absolu et exposition aux champs magnétiques. Ce n’est qu’alors qu’ils pourraient inaugurer des MZMS.
Pour construire un qubit, qui est inférieur à 10 microns – beaucoup plus petit que les qubits supraconducteurs – les scientifiques ont organisé un ensemble de nanofils en une forme H, avec deux fils de topoconducteurs plus longs joints au centre par un fil supraconducteur. Ils ont ensuite induit quatre MZM pour exister sur les quatre points du H en refroidissant la structure et en le réglant avec des champs magnétiques. Enfin, pour mesurer le signal lorsque l’appareil serait opérationnel, ils ont connecté le H avec un point quantique semi-conducteur – équivalent à un petit condensateur qui transporte la charge.
Les topoconducteurs diffèrent des supraconducteurs dans la façon dont ils se comportent lorsqu’ils sont accablés d’un électron non apparié. Dans les supraconducteurs, les électrons s’associent généralement – appelés paires Cooper – avec un nombre impair d’électrons (tout électron non apparié) nécessitant une quantité massive d’énergie pour s’adapter ou entrer dans un état excité. La différence d’énergie entre l’état fondamental et l’état excité est la base des 1 et 0 de données dans les qubits supraconducteurs.
Comme les supraconducteurs, les topoconducteurs utilisent la présence ou l’absence d’un électron non apparié comme 1 et 0 de données informatiques, mais le matériau peut « masquer » des électrons non appariés en partageant leur présence entre les électrons appariés. Cela signifie qu’il n’y a pas de différence d’énergie mesurable lorsque des électrons non appariés sont ajoutés dans le système, ce qui rend le qubit plus stable au niveau matériel et protégeant les informations quantiques. Cependant, cela signifie également qu’il est plus difficile de mesurer l’état quantique du qubit.
C’est là que le point quantique entre. En faisant exploser le point quantique avec des micro-ondes au fur et à mesure que cela se produit, la réflexion de retour porte une empreinte de l’état quantique des nanofils.
La précision de cette mesure est d’environ 99%, ont déclaré les scientifiques dans l’étude, notant que le rayonnement électromagnétique est un exemple de facteur externe qui déclenche une erreur une fois par milliseconde, en moyenne. Les scientifiques ont déclaré que cela était rare et indique que le blindage inhérent dans le nouveau type de processeur est efficace pour empêcher les rayonnements.
Le chemin vers un million de qubits
« C’est complexe dans la mesure où nous devions montrer un nouvel état de matière pour y arriver, mais après cela, c’est assez simple. Il est en train de sortir. Vous avez cette architecture beaucoup plus simple qui promet un chemin à l’échelle beaucoup plus rapide », » Krysta SvoreA déclaré le directeur de recherche principal de Microsoft, dans le communiqué.
Svore a ajouté cette nouvelle architecture de qubit, appelée le « noyau topologique », représente la première étape sur le chemin de la création d’ordinateurs quantiques de 1 million de qubit – comparant sa création au passage de la construction d’ordinateurs à l’aide de tubes à vide aux transistors en transistors en le 20e siècle.
C’est grâce à la taille plus petite et à la meilleure qualité des qubits, parallèlement à la facilité avec laquelle ils peuvent évoluer en raison de la façon dont les Qubits s’assemblent comme des carreaux, ont déclaré les scientifiques dans l’étude.
Au cours des prochaines années, les scientifiques prévoient de construire une seule puce avec un million de qubits physiques, ce qui entraînera, à son tour, des percées scientifiques utiles dans des domaines comme la médecine, la science des matériaux et notre compréhension de la nature qui serait impossible à faire le Supercomputeurs les plus rapides.
La puce quantique ne fonctionne cependant pas isolément. Il existe plutôt dans un écosystème aux côtés d’un réfrigérateur de dilution pour atteindre des températures extrêmement froides, un système qui gère la logique de contrôle et des logiciels qui peuvent s’intégrer aux ordinateurs classiques et à l’intelligence artificielle (IA). Les scientifiques ont déclaré que l’optimisation de ces systèmes afin qu’ils puissent travailler à une échelle beaucoup plus grande prendront des années de recherche plus approfondie. Mais ce calendrier peut être accéléré avec de nouvelles percées.
« Ces matériaux doivent s’aligner parfaitement. S’il y a trop de défauts dans la pile de matériaux, cela tue simplement votre qubit », a déclaré Svore dans le communiqué. « Ironiquement, c’est aussi pourquoi nous avons besoin d’un ordinateur quantique – parce que la compréhension de ces matériaux est incroyablement difficile. Avec un ordinateur quantique à l’échelle, nous serons en mesure de prédire des matériaux avec des propriétés encore meilleures pour construire la prochaine génération d’ordinateurs quantiques au-delà de l’échelle. »
