C’est probablement l’un des plus gros buzz du moment après celui du record mondial du temps de confinement dans le tokamak West du CEA en France. L’annonce était déjà de bon augure pour les rêves d’une énergie électrique propre et quasi illimitée pour le XXI^e siècle. Mais voilà qu’une autre annonce fait un peu également l’effet d’un des rêves de la science-fiction de ce même siècle, faisant un pas de plus en avant, et il concerne cette fois-ci les mythiques ordinateurs quantiques qui pourraient révolutionner notre technologie.

La petite bombe qui vient d’exploser vient d’un communiqué de Microsoft accompagnant un article en libre accès publié dans Nature, mais que l’on peut trouver également dans une version sur arXiv. Le communiqué principal fait ainsi savoir que les ingénieurs et physiciens de Microsoft ont réussi à faire fonctionner « Majorana 1, la première puce quantique au monde reposant sur une nouvelle architecture à cœur topologique ».

Le communiqué se poursuit en expliquant que « le topoconducteur, ou superconducteur topologique, appartient à une catégorie spéciale de matériaux capable de créer un état de la matière totalement nouveau – ni solide, ni liquide, ni gazeux, mais un état topologique ».

On peut trouver sur X (ex-Twitter) des déclarations et commentaires à ce sujet de Satya Narayana Nadella, le président-directeur général de Microsoft.

Toujours dans le communiqué, on apprend que le cœur topologique résulte du « développement d’un nouvel empilage de matériaux constitués d’arséniure d’indium et d’aluminium, conçu et fabriqué atome par atome par Microsoft. L’objectif était de provoquer l’apparition des particules de Majorana ».

Une puce topologique pour lutter contre la décohérence quantique

Pour ceux déjà un peu au courant, c’est clairement un succès dans le domaine prometteur des ordinateurs quantiques topologiques dont on parle depuis des années. Il s’agit de l’une des approches dont on espérait qu’elle puisse aider à résoudre le problème de la décohérence, une plaie de l’informatique quantique rendant rapidement tout calcul un peu complexe et long impossible.

Une image permet d’appréhender ce problème : pour réaliser un ordinateur quantique surpassant un ordinateur classique, il faut en effet disposer d’un grand nombre de ce que l’on appelle  des qubits d’informations, la généralisation quantique des bits d’informations de la théorie des ordinateurs classiques. On peut se les représenter comme les éléments d’un château de cartes. Plus il prend de la hauteur, plus il est instable. Quand il atteint quelques étages, un minuscule courant d’air ou une petite vibration de la table suffit pour que tout le château s’écroule. De façon générale donc, plus le château est grand, plus il a de risques de s’effondrer vite, à moins de le placer dans une chambre sous vide ou sur une table l’isolant des vibrations du sol par exemple.

Le problème est similaire avec des qubits. Il faut généralement refroidir presque au zéro absolu les systèmes quantiques constitués des quelques atomes seulement qui portent ces qubits pour les isoler suffisamment longtemps du bruit de fond ambiant, souvent thermique, généré par le reste de l’Univers. Même ainsi, on dispose d’un temps trop court pour pouvoir effectuer autre chose que quelques timides calculs quantiques.

Il faut donc trouver un moyen de protéger autant que possible les calculs quantiques de ces perturbations et/ou utiliser des codes correcteurs quantiques cousins de ceux des ordinateurs classiques pour lutter contre les erreurs de calcul produites par la décohérence.

C’est très difficile à obtenir.

Toujours est-il que pour avoir des ordinateurs quantiques universels programmables capables d’atteindre la fameuse suprématie quantique et donc de pulvériser les temps de calculs de super-ordinateurs classiques utilisés pour résoudre bien des problèmes de notre civilisation technologique, il faut disposer d’un grand nombre de qubits d’informations, plusieurs dizaines de milliers au moins et même plus. Il faut que la puce utilisée comme prototype permette de lutter efficacement contre la décohérence et que l’on puisse en principe faire croître facilement le nombre de qubits qu’elle porte tout en continuant à résister aux effets délétères du bruit de l’environnement sur la perfection et la durée des calculs quantiques.

Microsoft pense avoir précisément réussi la première étape de ces chalenges avec Majorana 1 : un contrôle accru des effets de la décohérence avec des qubits plus stables et permettant une mise en œuvre des corrections d’erreurs plus performante et un cœur exploitant des effets dits topologiques dans le domaine de la physique des matériaux. Au point qu’il est question d’avoir dans quelques années seulement, et pas quelques décennies, des puces topologiques avec au moins 1 million de qubits stables capables d’effectuer 1 quintillion d’opérations en commettant au plus une seule erreur ! Microsoft a réussi pour le moment à placer huit qubits topologiques sur une puce conçue pour évoluer jusqu’à 1 million de qubits.

Pour le lecteur encore peu au fait de ce que l’on appelle la seconde révolution quantique, beaucoup de ces explications rapides nécessitent des éclaircissements et des développements.

C’est quoi la physique quantique et les ordinateurs quantiques ?

De quoi parle-t-on avec des topoconducteurs, un nouvel état de la matière et des particules de Majorana ?

Voici quelques-unes de ces explications dont plusieurs se trouvent dans plusieurs vidéos, déjà en grande partie dans l’excellente vidéo de Microsoft ci-dessus.

De la première à la seconde révolution quantique

Il y a un siècle cette année, Werner Heisenberg, Max Born, Pascual Jordan d’un côté et Erwin Schrödinger de l’autre découvraient les équations fondamentales de la mécanique quantique (Schrödinger n’allait publier le début de ses travaux à ce sujet qu’au début de l’année 1926, même si la découverte initiale a été faite à la fin de l’année 1925). Ce fut le début de la première révolution quantique, donnant les clés pour comprendre et maîtriser les réactions nucléaires, expliquer les liaisons chimiques et des propriétés des matériaux comme la supraconductivité ou encore l’existence des semi-conducteurs et plus généralement les interactions entre matière et lumière, comme l’effet laser.

Nous en sommes maintenant à la seconde révolution quantique avec le développement de capteurs quantiques ultrasensibles, de la cryptographie et des télécommunications quantiques. Mais, plus encore, ce qui fait rêver, ce sont les progrès en cours concernant les simulateurs et les ordinateurs quantiques, des machines prophétisées au cours des années 1980 par Richard Feynman et David Deutsch.

Richard Feynman avait compris qu’il était possible d’utiliser des systèmes quantiques pour simuler, calculer le comportement d’autres systèmes quantiques tellement gourmand en temps de calcul sur des ordinateurs classiques qu’on ne pouvait pas voir les calculs se terminer durant une vie humaine et même plus. Il en serait tout autrement dans certains cas en exploitant directement des propriétés quantiques fondamentales de la lumière et de la matière, le principe de superposition des états et l’intrication quantique rendu célèbre par l’effet EPR et les travaux de John Bell et du prix Nobel de physique français Alain Aspect, qui a récemment publié un livre autobiographique et expliquant ses travaux.

On pense que des simulateurs quantiques spécialisés dans certains calculs, ou des ordinateurs quantiques universellement programmables, pourraient donc dans certains cas (il n’y a pas d’indication que ce soit général) produire des résultats incroyables en quelques minutes ou jours seulement.

On espère ainsi des percées inattendues dans la découverte par le calcul de nouvelles molécules pour la médecine ou de nouveaux matériaux comme, rêvons un peu, des supraconducteurs fonctionnant dans des conditions de températures et de pressions ambiantes, des matériaux capables d’aider fantastiquement à la capture de CO₂ pour lutter contre le réchauffement climatique ou encore des batteries électriques très performantes et peu coûteuses.

Devant les enjeux, une course mondiale a été lancée avec des entreprises comme Google et IBM ou, en France, et pour ne citer que ces start-up : Quandela et Pasqual.

Des anyons non-abéliens et des fermions de Majorana

La voie suivie par les chercheurs de Microsoft est celle qui suppose l’existence de ce que l’on appelle des fermions de Majorana, mais pas ceux supposés comme des particules élémentaires fondamentales dans certaines théories au-delà du modèle standard, par exemple en ce qui concerne les neutrinos. Non, il s’agit de versions qui, bien qu’elles soient également décrites par les théories du légendaire physicien italien Ettore Majorana pendant les années 1930, s’appliquent à ce que l’on appelle des quasi-particules quantiques.

Ce ne sont pas des particules fondamentales comme on pense que le sont des électrons ou des quarks, bien que la question reste ouverte car on a envisagé qu’ils soient précisément des sortes de quasi-particules de l’espace-temps quantique. L’exemple le plus simple à comprendre des quasi-particules, c’est celui des phonons dans un solide – par exemple un cristal simple dont les atomes peuvent effectuer des mouvements de vibration autour d’une position d’équilibre dans le réseau d’atomes.

En fait, la puce topologique de Microsoft repose aussi sur l’existence en physique de la matière condensée de quasi-particules qui ont été appelées des anyons par le prix Nobel de physique Frank Wilczek en 1982. Il se basait sur des travaux publiés en 1977 par deux physiciens théoriciens travaillant à l’université d’Oslo, Jon Magne Leinaas et Jan Myrheim, qui ont montré que la classification traditionnelle des particules en fermions ou en bosons ne s’appliquerait pas si elles étaient réduites à se déplacer dans seulement deux dimensions, ou disons l’équivalent d’un volume plat avec quelques atomes d’épaisseur tout au plus, comme un feuillet de graphène par exemple.

Pour des ordinateurs topologiques, qui seraient donc particulièrement aptes à lutter contre la décohérence, il faudrait pouvoir disposer de ce que l’on appelle en fait des « anyons non-abéliens » (ces termes renvoient à des objets en mathématiques, des groupes décrivant des opérations commutatives dans le premier cas et des opérations non commutatives dans le second cas) et exploiter des propriétés mathématiques des équations décrivant ces objets et qui sont du ressort du domaine des mathématiques appelé « topologie ».

Avant d’examiner le concept d’anyons, voyons un peu ce qu’est un ordinateur quantique topologique. Imaginons une série d’électrons en rang sur une droite et qui se comportent un peu comme des toupies en rotation : on attribue un « 1 » à l’électron lorsque la toupie tourne dans un sens autour de la verticale et un « 0 » lorsque que celle-ci tourne dans l’autre sens. Un calcul quantique peut se voir comme une série d’opérations de basculement dans le temps du sens de rotation de ces électrons.

Construisons un diagramme d’espace-temps (voir la vidéo ci-dessus) en empilant selon la verticale les valeurs portées par les électrons suivant un axe décrivant l’écoulement du temps. La mécanique quantique nous dit que les électrons sont en fait des particules indiscernables et que l’on peut permuter les positions occupées par ces électrons ; ainsi, on peut, au final, décrire les calculs quantiques effectués comme des séries de trajectoires avec permutations pour ces particules dans le diagramme d’espace-temps, du passé vers le futur. On aboutit alors à des sortes de tresses (braids en anglais dans la vidéo ci-dessus), des nœuds, décrivant des histoires possibles pour les calculs quantiques. Or, la topologie nous apprend que l’on peut déformer continûment certaines de ces tresses en d’autres et pas dans toutes. Il y a donc des règles qui limitent et stabilisent en quelque sorte les transformations possibles sur les états des qubits d’informations portés par les électrons en rotation, techniquement par l’état de leur spin, leur moment cinétique.

Les physiciens se sont rendu compte que ces lois topologiques devaient aider à protéger de la décohérence des ordinateurs quantiques fonctionnant selon ces principes, mais pas avec des électrons dans des conditions ordinaires. En fait, il faudrait alors faire appel à des quasi-particules appelées anyons, qui existent dans des systèmes relevant de la physique du solide en 2D (deux dimensions), voire 1D. En soi, l’utilisation de la topologie pour expliquer le comportement quantique de matériaux en physique du solide n’est pas nouveau et le prix Nobel de physique 2016 a même récompensé des travaux de chercheurs dans ce domaine.

Parlons donc maintenant des anyons. D’ordinaire, la théorie quantique nous dit que les particules se répartissent en deux classes :

• les fermions ;
• les bosons.

On peut décrire l’état d’un groupe d’électrons (des fermions) ou de photons (des bosons) par un objet mathématique appelé « fonction d’onde » ou encore « vecteur d’état ». Cet objet a un comportement précis lorsque l’on permute les particules dans un de ces groupes, même si ces particules sont considérées comme indiscernables. En fait, on peut dire qu’il apparaît une dépendance à une quantité qui se comporte comme une fonction trigonométrique dépendant d’un angle, qui prend une seule valeur pour les fermions et une seule autre valeur pour les bosons.

Coutumier des appellations de nouvelles particules en physique quantique, le prix Nobel de physique Frank Wilczek (à qui on devait déjà le nom d’axion pour des particules encore hypothétiques) a proposé d’appeler « anyons » des quasi-particules dont l’existence avait été postulée par lui et ses collègues Daniel Arovas et Robert Schrieffer, en 1984. Il s’agissait de rendre compte de l’effet Hall quantique fractionnaire dans des systèmes physiques que l’on peut considérer comme à deux dimensions en physique du solide. Techniquement ni des fermions ni des bosons, leur fonction d’onde pouvait dépendre d’un angle arbitraire (any angle, en anglais) lors d’une permutation, d’où le terme « anyon ».

Des fermions de Majorana dans des structures en 2D, voire 1D, à l’intérieur des solides se comporteraient comme des anyons. Des lois topologiques rendraient des qubits formés de ces anyons bien plus résistants à la décohérence. De telles lois topologiques stabilisant des configurations sont déjà connues pour les solitons classiques, mais aussi quantiques (par exemple les skyrmions).

L’antimatière et les particules à spin, selon Majorana

Ettore Majorana (Catane, Sicile, 5 août 1906 – présumé disparu en mer tyrrhénienne le 27 mars 1938) avait selon les dires de son mentor, Enrico Fermi, une intelligence supérieure à la sienne. © DP-Wikipédia