Majorana 1, la puce ultime ?

Qui sait à quoi ressemblera finalement la puce quantique inspirée par Ettore Majorana ?

Introduction

Microsoft, pape du logiciel et des systèmes d’exploitation, bien implanté dans les services cloud avec Azure, surprend le monde en annonçant en février 2025, Majorana 1, le premier microprocesseur quantique basé sur des qbits topologiques !

Historique et contexte

Depuis les années 1980, l’informatique quantique est envisagée comme une révolution scientifique et technologique, mais les défis sont particulièrement nombreux, à la limite du réalisable, voire un peu au-delà…

Les premiers prototypes reposaient sur des qubits (ou bits quantiques) supraconducteurs ou des ions piégés. Malheureusement, ces systèmes présentaient une fragilité extrême causée par la décohérence quantique, c’est-à-dire une perte rapide d’information due à toute perturbation extérieure, même infime.

Pour surmonter cette limite, les chercheurs ont exploré des approches réputées plus robustes, dont celle des qubits topologiques, théorisés en 1997 par Alexei Kitaev et Michael Freedman.

Le géant Microsoft s’est engagé très tôt dans cette voie, au début des années 2000, notamment via son centre de recherche Station Q à Santa-Barbara, historiquement dirigé par ce même Michael Freedman, un éminent mathématicien, entre autres lauréat de la médaille Fields, un équivalent plus discret du prix Nobel dans le monde des mathématiques.

Alors, qu’est-ce que ces fameux qbits topologiques ?

La bien nommée station Q (Q pour quantum) qui réunit un mélange de mathématiciens, de physiciens et d’ingénieurs travaillant sur les qubits topologiques, a pour objectif de créer un ordinateur quantique « tolérant », capable de corriger ses erreurs de manière intrinsèque grâce à la nature même de ses qubits, plus robuste.

En effet, un système quantique topologique possède des propriétés qui décrivent la forme globale de ses états quantiques, plutôt que l’état local d’un seul atome ou électron.

Ces propriétés globales peuvent être des nombres entiers (nombres topologiques) ou des états de bord qui apparaissent aux limites du matériau, et qui restent présents même si l’intérieur du matériau est fortement perturbé, ce qui permet théoriquement de « récupérer » l’information originelle.

Et matériellement ?

Le processeur Majorana 1 repose sur une nouvelle catégorie de matériaux baptisés topoconducteurs.

Ces matériaux combinent de l’arséniure d’indium (semi-conducteur) et de l’aluminium (supraconducteur) ; refroidis à une température proche du zéro absolu et soumis à des champs magnétiques, ils forment des nanofils supraconducteurs topologiques hébergeant des modes zéro de Majorana (MZM).

Ces quasi-particules, prédites par Ettore Majorana en 1937, se comportent comme leurs propres antiparticules. Leur particularité est de protéger l’information quantique des perturbations extérieures, ce qui en fait des candidats idéaux pour des qubits stables.

En théorie, cela permet de coder l’information quantique de manière intrinsèquement résistante aux erreurs, ce qui représente le Graal de tout informaticien œuvrant dans le quantique.

Caractéristiques techniques de Majorana 1

Capacité annoncée à termes : jusqu’à un million de qubits sur une seule puce, mais seulement 8 actuellement sur le démonstrateur.

Architecture : un cœur topologique exploitant la supraconductivité topologique.

Miniaturisation : qubits topologiques très compacts, lecture par micro-ondes et contrôle par portes définies électriquement.

Prototype : Microsoft prévoit de construire le premier ordinateur quantique évolutif basé sur ces qubits dans le cadre du programme DARPA US2QC (Underexplored Systems for Utility-Scale

Quantum Computing).

À noter que, comme souvent dans les technologies potentiellement disruptives, la célèbre DARPA américaine (Defense Advanced Research Projects Agency) est embarquée dans le projet, tant il est vrai qu’un aboutissement de celui-ci aurait des impacts stratégiques majeurs.

Débats

Malgré l’annonce spectaculaire, la communauté scientifique reste prudente, à cause de ce qui suit…

Réalité de la particule de Majorana ?

La notion de particule de Majorana qui remonte, comme nous l’avons vu à Ettore Majorana (un théoricien et physicien italien considéré comme un génie par ses pairs) qui a montré qu’un fermion neutre pourrait être identique à son antiparticule, ce qui le distingue d’un fermion de Dirac.

Dans le contexte des particules élémentaires, la question centrale reste la nature du neutrino : il pourrait être un fermion de Majorana, mais cela n’a pas encore été démontré de façon définitive par des expériences de désintégration sans neutrinos (double désintégration bêta sans neutrinos) — ces recherches sont en cours — et particulièrement cruciales pour trancher cette question fondamentale.

Parallèlement, en physique de la matière condensée, des excitations collectives peuvent se comporter comme des quasi-particules de Majorana (modes zéro de Majorana) dans des systèmes topologiques, par exemple des nanofils supraconducteurs ou certains liquides de spin; ces états émergents ne sont pas des particules fondamentales, mais des manifestations collectives d’électrons couplés dans un matériau…

Nombre d’expériences ont rapporté des signatures compatibles avec des modes de Majorana (pics zéro-biais, signatures spectroscopiques, notamment) mais l’interprétation reste controversée : des états d’Andreev liés ou d’autres phénomènes peuvent produire des signaux similaires, rendant la preuve irréfutable difficile à établir.

En résumé, la théorie est solide et les indices expérimentaux sont prometteurs, mais la preuve définitive d’une particule de Majorana fondamentale ou d’un mode topologique non ambigu reste à obtenir.

Microsoft y croit !

Le géant de Redmond a même publié des résultats dans la revue scientifique Nature, mais certains experts (Henry Legg, université de St Andrews, Royaume-Uni et John Preskill, Caltech, notamment) sont dubitatifs, et demandent des preuves plus convaincantes avant de valider définitivement l’existence de ces qubits topologiques qui sont depuis longtemps sujets à controverses.

Enfin, des exigences cryogéniques extrêmes, proches du zéro absolu, rendraient complexe la fabrication d’un tel ordinateur quantique à l’échelle industrielle, mais pas impossible pour autant.

Pourtant, si le processeur quantique Majorana 1 tient ses promesses, il pourrait révolutionner l’informatique quantique, et même l’informatique en général, tant cette puissance de calcul dépasserait notre compréhension actuelle !

Quelques chiffres, pour vous perdre définitivement :

• En cryptographie (factorisation de grands nombres) un ordinateur classique actuel mettrait des milliers d’années pour casser une clé RSA de 2048 bits, un standard de chiffrement robuste.

Un ordinateur quantique suffisamment puissant pourrait le faire en quelques heures ou en quelques minutes grâce à l’algorithme de Shor : dans ce cas-ci, on parle donc d’un facteur de performance de l’ordre de 10^12 à 10^15 !

• Recherche dans des bases de données : l’algorithme de Grover permet de réduire le temps de recherche d’un élément parmi N possibilités de N étapes (classique) à √N étapes (quantique).

Cela correspond à un gain quadratique : par exemple, pour un milliard d’entrées, on passe de 1 milliard d’opérations à environ 30 000 !

• Simulation de molécules et structures des matériaux : les ordinateurs classiques, même les supercalculateurs les plus puissants, doivent approximer les interactions quantiques, ce qui devient rapidement impossible. Un ordinateur quantique peut les simuler directement.

  
  

  Le facteur de performance est ici essentiellement qualitatif : en plus de la rapidité, il rend possible des calculs qui sont aujourd’hui totalement hors de portée de notre informatique actuelle.

Dans quels délais ?

Au niveau du calendrier, Microsoft affirme que l’ère des ordinateurs quantiques fiables n’est plus une affaire de décennies, mais de quelques années…

C’est un peu vague, mais diablement proche quand même !

Conclusion

Majorana 1 incarne l’ambition du géant Microsoft de franchir le seuil entre recherche fondamentale et innovation technologique applicable.

En toute discrétion et depuis deux décennies, la firme de Redmond œuvre avec les meilleurs spécialistes pour résoudre d’une manière fort élégante, si elle se confirme, le problème central de la décohérence et ouvrir la voie à des ordinateurs quantiques réellement exploitables, ce qui renverserait la table à l'échelle planétaire.

Et qui sait ? L’histoire retiendra peut-être 2025 comme l’année où l’informatique quantique est passée du rêve à la réalité sous réserve que des preuves expérimentales indépendantes et reproductibles — confirment définitivement l’existence des états de Majorana…