La mécanique quantique de Microsoft

En 2012, des physiciens aux Pays-Bas ont annoncé une découverte en physique des particules qui a déclenché des discussions sur un prix Nobel. À l'intérieur d'une minuscule tige de cristal semi-conducteur refroidie plus froide que l'espace extra-atmosphérique, ils avaient aperçu pour la première fois une particule étrange appelée le fermion de Majorana, confirmant finalement une prédiction faite en 1937. C'était une avancée apparemment sans rapport avec les défis de la vente de logiciels de productivité de bureau. ou en concurrence avec Amazon dans le cloud computing, mais Craig Mundie, alors à la tête de la stratégie technologique et de recherche de Microsoft, était ravi. La découverte abstruse - en partie financée par Microsoft - était cruciale pour un projet de l'entreprise visant à rendre possible la construction d'ordinateurs extrêmement puissants qui traitent des données à l'aide de la physique quantique. Ce fut un moment charnière, dit Mundie. Cette recherche nous guidait vers une manière de réaliser l'un de ces systèmes.

Microsoft a maintenant près d'une décennie dans ce projet et vient de commencer à en parler publiquement. Si cela réussit, le monde pourrait changer radicalement. Depuis que le physicien Richard Feynman a suggéré pour la première fois l'idée d'un ordinateur quantique en 1982, les théoriciens ont prouvé qu'une telle machine pourrait résoudre des problèmes qui prendraient des centaines de millions d'années ou plus aux ordinateurs conventionnels les plus rapides. Les ordinateurs quantiques pourraient, par exemple, donner aux chercheurs de meilleurs outils pour concevoir de nouveaux médicaments ou des cellules solaires super efficaces. Ils pourraient révolutionner l'intelligence artificielle.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de novembre 2014

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Les progrès vers ce nirvana informatique ont été lents car personne n'a été en mesure de créer une version suffisamment fiable du bloc de construction de base d'un ordinateur quantique : un bit quantique, ou qubit, qui utilise des effets quantiques pour coder les données. Les chercheurs universitaires et gouvernementaux et les laboratoires d'entreprise d'IBM et de Hewlett-Packard les ont tous construits. De petits nombres ont été câblés ensemble et les appareils qui en résultent s'améliorent. Mais personne ne peut contrôler suffisamment bien la physique pour que ces qubits servent de base à un ordinateur pratique à usage général.

Microsoft n'a même pas encore construit de qubit. Mais dans le genre de paradoxe auquel on peut s'attendre dans le domaine de la physique quantique, il peut aussi être plus proche que quiconque de rendre les ordinateurs quantiques pratiques. La société développe un nouveau type de qubit, connu sous le nom de qubit topologique, basé en grande partie sur cette découverte de 2012 aux Pays-Bas. Il y a de bonnes raisons de croire que cette conception sera à l'abri de la flakiness qui afflige les qubits existants. Il sera également mieux adapté à la production de masse. Ce que nous faisons est analogue à la fabrication du premier transistor, déclare Peter Lee, responsable de la recherche chez Microsoft. Son entreprise travaille également sur la manière dont les circuits d'un ordinateur constitué de qubits topologiques pourraient être conçus et contrôlés. Et les chercheurs de Microsoft travaillant sur des algorithmes pour ordinateurs quantiques ont montré qu'une machine composée de seulement des centaines de qubits pouvait exécuter des simulations chimiques au-delà de la capacité de n'importe quel supercalculateur existant.

Au cours de l'année prochaine, les laboratoires de physique soutenus par Microsoft commenceront à tester des éléments cruciaux de sa conception de qubit, en suivant un plan développé par un génie des mathématiques en plein air. Si ces tests fonctionnent, une entreprise largement considérée comme coincée dans le passé de l'informatique pourrait débloquer son avenir.

Encore plus étrange : un physicien des laboratoires légendaires mais fanés de Bell pourrait y arriver en premier.

Attaché en nœuds

Dans une pièce ensoleillée à 100 mètres de l'océan Pacifique, Michael Freedman, l'instigateur et cerveau technique du projet de Microsoft, avoue se sentir inférieur. Lorsque vous commencez à penser à l'informatique quantique, vous vous rendez compte que vous êtes vous-même une sorte d'ordinateur analogique chimique maladroit, dit-il. Freedman, qui a 63 ans, est directeur de Station Q, le groupe de recherche Microsoft qui dirige l'effort de création d'un qubit topologique, travaillant à partir d'une douzaine de bureaux sur le campus de l'Université de Californie à Santa Barbara. En forme et bronzé, il a de la poussière sur ses chaussures après avoir marché sur un chemin de plage pour déjeuner.

Si son esprit est un ordinateur chimique maladroit, c'est un ordinateur extraordinaire. Prodige des mathématiques entré à l'UC Berkeley à l'âge de 16 ans et diplômé deux ans plus tard, Freedman avait 30 ans lorsqu'il a résolu une version de l'un des problèmes les plus anciens des mathématiques, le Poincaré conjecture . Il l'a calculé sans rien écrire, visualisant la distorsion des formes en quatre dimensions dans sa tête. J'avais vu mon chemin à travers l'argument, se souvient Freedman. Lorsqu'il a traduit cette vision intérieure en une preuve de 95 pages, cela lui a valu la médaille Fields, la plus haute distinction en mathématiques.

Cela a cimenté la position de Freedman en tant que chef de file de la topologie, la discipline concernée par les propriétés des formes qui ne changent pas lorsque ces formes sont déformées. (Une vieille blague dit que les topologues ne peuvent pas distinguer une tasse de café d'un beignet - les deux sont des surfaces percées par un seul trou.) Mais il a été attiré par la physique en 1988 après qu'un collègue a découvert un lien entre certaines des mathématiques décrivant le topologie des nœuds et une théorie expliquant certains phénomènes quantiques. C'était une belle chose, dit Freedman. Il a immédiatement vu que cette connexion pourrait permettre à une machine régie par cette même physique quantique de résoudre des problèmes trop difficiles pour les ordinateurs conventionnels. Ignorant que le concept d'informatique quantique existait déjà, il l'avait réinventé indépendamment.

Freedman a continué à travailler sur cette idée et, en 1997, il a rejoint le groupe de recherche de Microsoft sur les mathématiques théoriques. Peu de temps après, il s'est associé à un physicien théoricien russe, Alexei Kitaev, qui avait prouvé qu'un qubit topologique formé par la même physique pouvait être beaucoup plus fiable que les qubits que d'autres groupes construisaient. Freedman a finalement commencé à sentir qu'il était sur quelque chose qui méritait l'attention au-delà de son monde raréfié de mathématiques et de physique profondes. En 2004, il s'est présenté au bureau de Craig Mundie et a annoncé qu'il voyait un moyen de construire un qubit suffisamment fiable pour évoluer. J'ai fini par faire une sorte de pitch, dit Freedman. Il semblait que si vous vouliez commencer à développer la technologie, vous le pouviez.

Mundie l'a acheté. Bien que Microsoft n'ait pas essayé de développer des ordinateurs quantiques, il connaissait leur potentiel remarquable et la lenteur des progrès réalisés dans leur construction. J'ai été immédiatement fasciné par l'idée qu'il y avait peut-être une approche complètement différente, dit-il. Une telle forme d'informatique se révélerait probablement être la base d'une transformation semblable à ce que l'informatique classique a fait pour la planète au cours des 60 dernières années. Il a mis en place un effort pour créer le qubit topologique, avec un Freedman légèrement nerveux à la barre. Jamais de ma vie je n'avais même construit une radio à transistors, dit Freedman.

Rêve lointain

À certains égards, un ordinateur quantique ne serait pas si différent d'un ordinateur conventionnel. Les deux traitent des bits de données représentés sous forme binaire. Et les deux types de machines sont constitués d'unités de base qui représentent des bits en basculant entre différents états comme un interrupteur. Dans un ordinateur conventionnel, chaque petit transistor sur une puce peut être désactivé pour signifier un 0 ou pendant un un . Mais à cause des règles bizarres de la physique quantique, qui régissent le comportement de la matière et de l'énergie à des échelles extrêmement petites, les qubits peuvent effectuer des tours qui les rendent extrêmement puissants. Un qubit peut entrer dans un état quantique appelé superposition, qui représente effectivement 0 et un en même temps. Une fois dans un état de superposition, les qubits peuvent devenir liés ou enchevêtrés, de sorte que toute opération affectant l'un change instantanément le sort d'un autre. En raison de la superposition et de l'intrication, une seule opération dans un ordinateur quantique peut exécuter des parties d'un calcul qui prendraient beaucoup, beaucoup plus d'opérations pour un nombre équivalent de bits ordinaires. Un ordinateur quantique peut essentiellement explorer un grand nombre de voies de calcul possibles en parallèle. Pour certains types de problèmes, l'avantage d'un ordinateur quantique sur un ordinateur conventionnel croît de manière exponentielle avec la quantité de données à traiter. Leur puissance m'étonne toujours, dit Raymond Laflamme , directeur exécutif de l'Institute for Quantum Computing de l'Université de Waterloo, en Ontario. Ils changent les fondements de l'informatique et ce que nous entendons par ce qui est calculable.

Au cours de l'année prochaine, les laboratoires de physique soutenus par Microsoft commenceront à tester sa conception qubit.

Mais les états quantiques purs sont très fragiles et ne peuvent être observés et contrôlés que dans des circonstances soigneusement conçues. Pour qu'une superposition soit stable, le qubit doit être protégé de bruits apparemment insignifiants, tels que des chocs aléatoires de particules subatomiques ou de faibles champs électriques provenant d'appareils électroniques à proximité. Les deux meilleures technologies qubit actuelles représentent des bits dans les propriétés magnétiques d'atomes chargés individuels piégés dans des champs magnétiques ou sous forme de minuscule courant à l'intérieur de circuits de métal supraconducteur. Ils ne peuvent conserver les superpositions que pendant des fractions de seconde avant qu'elles ne s'effondrent dans un processus connu sous le nom de décohérence. Le plus grand nombre de qubits qui ont été exploités ensemble n'est que de sept.

Depuis 2009, Google teste une machine commercialisée par la startup D-Wave Systems comme le premier ordinateur quantique commercial au monde, et en 2013, il a acheté une version de la machine qui a 512 qubits. Mais ces qubits sont câblés dans un circuit pour un algorithme particulier, ce qui limite la gamme de problèmes sur lesquels ils peuvent travailler. En cas de succès, cette approche créerait l'équivalent informatique quantique d'une paire de pinces, un outil utile adapté à certaines tâches seulement. L'approche conventionnelle poursuivie par Microsoft propose un ordinateur entièrement programmable, l'équivalent d'une boîte à outils complète. Et d'ailleurs, des chercheurs indépendants n'ont pas été en mesure de confirmer que la machine de D-Wave fonctionne vraiment comme un ordinateur quantique. Google a récemment lancé son propre laboratoire de matériel pour essayer de créer une version de la technologie qui offre.

La recherche de moyens de lutter contre la décohérence et les erreurs qu'elle introduit dans les calculs a fini par dominer le domaine de l'informatique quantique. Pour qu'un qubit soit vraiment évolutif, il n'aurait probablement besoin de décohérer accidentellement qu'environ une fois sur un million d'opérations, dit Chris Monroe , professeur à l'Université du Maryland et co-responsable d'un projet d'informatique quantique financé par le ministère de la Défense et l'activité Intelligence Advanced Research Projects. Aujourd'hui, les meilleurs qubits décohèrent généralement des milliers de fois plus souvent.

La Station Q de Microsoft pourrait avoir une meilleure approche. Les états quantiques qui ont attiré Freedman dans la physique - qui se produisent lorsque des électrons sont piégés dans un plan à l'intérieur de certains matériaux - devraient fournir la stabilité dont un constructeur de qubits a besoin, car ils sont naturellement sourds à une grande partie du bruit qui déstabilise les qubits conventionnels. À l'intérieur de ces matériaux, les électrons acquièrent des propriétés étranges à des températures proches du zéro absolu, formant ce que l'on appelle des liquides électroniques. Les propriétés quantiques collectives des liquides électroniques peuvent être utilisées pour signifier un peu. L'élégance de la conception, ainsi que les subventions en espèces, en équipement et en temps de calcul, ont attiré certains des plus grands chercheurs en physique du monde à collaborer avec Microsoft. (La société ne dira pas quelle fraction de ses 11 milliards de dollars de dépenses annuelles en R&D est consacrée au projet.)

Le hic, c'est que la physique reste non prouvée. Pour utiliser les propriétés quantiques des liquides d'électrons en tant que bits, les chercheurs devraient manipuler certaines particules à l'intérieur, appelées anyons non abéliens, afin qu'elles s'enroulent les unes autour des autres. Et tandis que les physiciens s'attendent à ce qu'il existe des anyons non abéliens, aucun n'a été détecté de manière concluante.

Les particules de Majorana, le genre d'anyons non abéliens recherchés par Station Q et ses collaborateurs, sont particulièrement insaisissables. Prédits pour la première fois par le physicien italien reclus Ettore Majorana en 1937, peu de temps avant qu'il ne disparaisse mystérieusement, ils ont captivé les physiciens pendant des décennies parce qu'ils ont la propriété unique d'être leurs propres antiparticules, donc si jamais deux se rencontrent, ils s'annihilent en un éclair. d'énergie.

Personne n'avait rapporté de preuves crédibles de leur existence jusqu'en 2012, lorsque Leo Kouwenhoven de l'Université de technologie de Delft aux Pays-Bas, qui avait obtenu un financement et des conseils de Microsoft, a annoncé qu'il les avait trouvés à l'intérieur de nanofils fabriqués à partir d'antimoniure d'indium semi-conducteur. Il avait amené le bon type de liquide électronique à exister en connectant le nanofil à un morceau d'électrode supraconductrice à une extrémité et à une électrode ordinaire à l'autre. Il offrait le support le plus solide à ce jour pour la conception de Microsoft. La découverte nous a donné une confiance énorme dans le fait que nous sommes vraiment sur quelque chose, déclare Lee de Microsoft. Le groupe de Kouwenhoven et d'autres laboratoires tentent maintenant d'affiner les résultats de l'expérience et de montrer que les particules peuvent être manipulées. Pour accélérer les progrès et préparer le terrain pour une éventuelle production de masse, Microsoft a commencé à travailler avec des entreprises industrielles pour sécuriser les approvisionnements en nanofils semi-conducteurs et en électronique supraconductrice qui seraient nécessaires pour contrôler un qubit topologique.

Pour autant, Microsoft n'a pas encore son qubit. Il faut trouver un moyen de déplacer les particules de Majorana les unes autour des autres dans l'opération nécessaire pour écrire l'équivalent de 0 sable un s. Les scientifiques des matériaux de l'Institut Niels Bohr de Copenhague ont récemment trouvé un moyen de construire des nanofils avec des branches latérales, ce qui pourrait permettre à une particule de se pencher sur le côté pendant qu'une autre passe. Charlie Marcus, un chercheur là-bas qui a travaillé avec Microsoft depuis sa première conception, se prépare maintenant à construire un système fonctionnel avec les nouveaux fils. Je dirais que cela va nous occuper pour l'année prochaine, dit-il.

Un succès validerait la conception du qubit de Microsoft et mettrait fin aux récentes suggestions selon lesquelles Kouwenhoven n'aurait peut-être pas détecté la particule de Majorana en 2012 après tout. Mais John Preskill, professeur de physique théorique à Caltech, affirme que le qubit topologique reste rien de plus qu'une belle théorie. J'aime beaucoup l'idée, mais après quelques années d'efforts sérieux, il n'y a toujours pas de preuves solides, dit-il.

La recherche en informatique quantique de Bob Willett aux Bell Labs est prometteuse.

Physique compétitive

Aux Bell Labs du New Jersey, Bob Willett dit avoir vu les preuves. Il regarde par-dessus ses lunettes un rectangle de cristal noir mat de la taille d'un doigt. Il a des fils soudés à la main autour de ses bords et de fins zigzags d'aluminium sur sa surface. Et au milieu de la puce, dans une zone de moins d'un micromètre de diamètre, Willett rapporte avoir détecté des anyons non abéliens. S'il a raison, Willett est plus avancé que quiconque travaille avec Microsoft. Et dans sa série de petits laboratoires minutieux, il se prépare maintenant à construire ce qui, si cela fonctionne, sera le premier qubit topologique au monde. Nous faisons maintenant la transition de la science à la technologie, dit-il. Son effort a des échos historiques. Dans le couloir de ses laboratoires se trouve une vitrine en verre avec le premier transistor à l'intérieur, fabriqué sur ce site en 1947.

L'appareil de Willett est une version d'un design auquel Microsoft a pour la plupart abandonné. Au moment où le projet de l'entreprise a commencé, Freedman et ses collaborateurs avaient déterminé qu'il devrait être possible de construire un qubit topologique en utilisant des cristaux d'arséniure de gallium ultra-pur qui piègent les électrons. Mais en quatre ans d'expériences, les laboratoires de physique soutenus par Microsoft n'ont trouvé aucune preuve concluante d'anyons non abéliens. Willett avait travaillé sur une physique similaire pendant des années, et après avoir lu un article de Freedman sur la conception, il a décidé d'essayer lui-même. Dans une série d'articles publiés entre 2009 et 2013, il a rapporté avoir trouvé ces particules cruciales dans ses propres appareils à base de cristaux. Lorsqu'un cristal est refroidi avec de l'hélium liquide à moins de 1 Kelvin (-272,15 ° C) et soumis à un champ magnétique, un liquide électronique se forme en son centre. Willett utilise des électrodes pour diffuser les particules autour de son bord ; s'il s'agit d'anyons non abéliens en boucle autour de leurs homologues au centre, ils devraient modifier l'état topologique du liquide électronique dans son ensemble. Il a publié les résultats de plusieurs expériences différentes dans lesquelles il a vu des oscillations révélatrices, que les théoriciens avaient prédites, dans le courant de ces particules en mouvement. Il est maintenant passé à la construction d'une conception de qubit. Ce n'est pas beaucoup plus complexe que sa première expérience : seulement deux des mêmes circuits placés dos à dos sur le même cristal, avec des électrodes supplémentaires qui relient les liquides d'électrons et peuvent coder et lire des états quantiques qui représentent l'équivalent de 0 sable un s.

Willett espère que cet appareil étouffera le scepticisme quant à ses résultats, que personne d'autre n'a été en mesure de reproduire. Le collaborateur de Microsoft, Charlie Marcus, dit que Willett a vu des signaux que nous n'avons pas vus. Willett rétorque que Marcus et d'autres ont rendu leurs appareils trop grands et ont utilisé des cristaux avec des différences importantes dans leurs propriétés. Il dit avoir récemment confirmé cela en testant certains appareils fabriqués selon les spécifications utilisées par d'autres chercheurs. Ayant travaillé avec les matériaux avec lesquels ils travaillent, je peux voir pourquoi ils ont arrêté de le faire, parce que c'est une douleur dans le cul, dit-il.

Un des cristaux sur lequel Willett dit avoir détecté des qubits topologiques.

Les laboratoires Bell, qui appartiennent désormais à la société française de télécommunications Alcatel-Lucent, sont plus petits et plus pauvres qu'ils ne l'étaient à l'époque où AT&T, incontesté en tant que monopole téléphonique américain, laissait de nombreux chercheurs faire à peu près tout ce qu'ils voulaient. Certaines des chambres de Willett donnent sur le sol poussiéreux et marqué laissé par la démolition d'une aile entière du laboratoire cette année. Mais avec moins de monde qu'il y a longtemps dans les laboratoires, il est plus facile d'accéder à l'équipement dont il a besoin, dit-il. Et Alcatel a commencé à investir davantage dans son projet. Willett travaillait avec seulement trois autres physiciens, mais récemment, il a également commencé à collaborer avec des mathématiciens et des experts en optique. La direction des Bell Labs a posé des questions sur les types de problèmes qui pourraient être résolus avec un petit nombre de qubits. Cela se transforme en un effort relativement important, dit-il.

Willett se considère comme un collègue universitaire des chercheurs de Microsoft plutôt que comme un concurrent de l'entreprise, et il est toujours invité aux symposiums semestriels de Freedman qui amènent des collaborateurs de Microsoft et d'autres physiciens de premier plan à Santa Barbara. Mais la direction de Microsoft a été plus évidente lors de réunions récentes, dit Willett, et il a parfois eu l'impression que le fait qu'il appartienne à une autre société rendait les choses gênantes.

Ce serait plus que gênant si Willett battait Microsoft pour prouver que l'idée qu'il a défendue peut fonctionner. Que Microsoft ouvre une voie pratique vers l'informatique quantique serait surprenant. Pour les Bell Labs flétris, appartenant à une entreprise qui n'est même pas dans le domaine de l'informatique, ce serait stupéfiant.

Code quantique

Sur le campus verdoyant de Microsoft à Redmond, dans l'État de Washington, des milliers d'ingénieurs en logiciel s'efforcent de corriger les bogues et d'ajouter des fonctionnalités à Windows et Microsoft Office. Les touristes posent dans le musée de l'entreprise pour des photos avec une découpe grandeur nature d'un Bill Gates de 1978 et de ses premiers employés. Dans le bâtiment principal de recherche, Krysta Svore dirige une douzaine de personnes travaillant sur des logiciels pour ordinateurs qui n'existeront peut-être jamais. L'équipe est en train de déterminer ce que la première génération d'ordinateurs quantiques pourrait faire pour nous.

Le groupe a été créé parce que même si les ordinateurs quantiques sont puissants, ils ne peuvent pas résoudre tous les problèmes. Et seule une poignée d'algorithmes quantiques ont été développés avec suffisamment de détails pour suggérer qu'ils pourraient être pratiques sur du matériel réel. L'informatique quantique est peut-être très perturbatrice, mais nous devons comprendre où se trouve le pouvoir, dit Svore.

Nous croyons qu'il y a une chance de faire quelque chose qui pourrait être le fondement d'une toute nouvelle économie.

Aucun ordinateur quantique ne rentrera jamais dans votre poche, à cause de la façon dont les qubits doivent être surfondus (à moins, bien sûr, que quelqu'un utilise un ordinateur quantique pour concevoir un meilleur qubit). Ils seraient plutôt utilisés comme des centres de données ou des superordinateurs pour alimenter des services sur Internet ou pour résoudre des problèmes permettant d'améliorer d'autres technologies. Une idée prometteuse consiste à utiliser des ordinateurs quantiques pour des simulations chimiques surpuissantes qui pourraient accélérer les progrès sur des problèmes majeurs dans des domaines tels que la santé ou l'énergie. Un ordinateur quantique pourrait simuler la réalité si précisément qu'il pourrait remplacer des années de travail laborieux en laboratoire, explique Svore. Aujourd'hui, environ un tiers du temps des supercalculateurs américains est consacré aux simulations pour la chimie ou la science des matériaux, selon le Département de l'énergie. Le groupe de Svore a développé un algorithme qui permettrait même à un ordinateur quantique de première génération de résoudre des problèmes beaucoup plus complexes, comme tester virtuellement un catalyseur pour éliminer le dioxyde de carbone de l'atmosphère, en quelques heures ou minutes. C'est une application mortelle potentielle des ordinateurs quantiques, dit-elle.

Mais il est possible d'envisager d'innombrables autres applications qui tuent. Le groupe de Svore a produit certaines des premières preuves que les ordinateurs quantiques peuvent être utilisés pour l'apprentissage automatique, une technologie de plus en plus centrale pour Microsoft et ses rivaux. Les progrès récents de la reconnaissance d'images et de la parole ont déclenché une frénésie de nouvelles recherches en intelligence artificielle. Mais ils s'appuient sur des grappes de milliers d'ordinateurs travaillant ensemble, et les résultats sont encore loin derrière les capacités humaines. Les ordinateurs quantiques pourraient surmonter les limites de la technologie.

Un tel travail aide à expliquer comment la première entreprise à construire un ordinateur quantique pourrait obtenir un avantage pratiquement sans précédent dans l'histoire de la technologie. Nous croyons qu'il y a une chance de faire quelque chose qui pourrait être le fondement d'une toute nouvelle économie, déclare Peter Lee de Microsoft. Comme vous vous en doutez, lui et tous les autres qui travaillent sur du matériel quantique se disent optimistes. Mais avec tant de choses encore à faire, le prix semble plus lointain que jamais. C'est comme si la technologie qubit était dans une superposition entre le changement du monde et la décohérence en rien de plus qu'une série de documents de recherche obscurs. C'est le genre d'impondérable que les personnes travaillant sur la technologie quantique doivent gérer au quotidien. Mais avec un gain si important, qui peut leur en vouloir de s'en prendre à lui ?

Cette histoire a été mise à jour le 10 octobre pour supprimer une référence erronée à un buste de Thomas Edison.

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