Des chercheurs en Belgique se tournent vers la production industrielle de qubits

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Shana Massar, ingénieur dans le programme d'informatique quantique à l'Imec, déclare : "Le but des ordinateurs quantiques n'est pas de remplacer nos ordinateurs classiques déjà connus pour effectuer nos tâches quotidiennes. Nous avons besoin d'ordinateurs quantiques pour un ensemble de problèmes très particuliers, des problèmes qui ont un haut degré de complexité. »

Un exemple de cas d'utilisation de l'informatique quantique est la résolution de problèmes d'optimisation ; un autre consiste à simuler des systèmes moléculaires. Cela peut être fait pour acquérir une meilleure compréhension de la science des matériaux et peut également être fait pour aider à découvrir de nouveaux médicaments.

Dans un ordinateur quantique, l'information est manipulée d'une manière fondamentalement différente de celle d'un ordinateur classique. Dans un ordinateur classique, l'élément logique est un bit, qui peut prendre l'un des deux états : zéro ou un. Dans un ordinateur quantique, l'élément logique est un qubit, ou bit quantique, qui est défini comme tout système cohérent à deux niveaux qui peut être initialisé, manipulé et lu.

"Si je regarde l'état d'un bit, l'état est soit zéro soit un et cela conduit à une mesure déterministe, tandis que le qubit a une superposition d'état", explique Massar.

"C'est une combinaison linéaire de zéro et un simultanément. Mais après lecture, c'est soit zéro soit un avec une certaine probabilité - et cela conduit à une mesure probabiliste.

"L'ordinateur quantique a une autre caractéristique, l'intrication. Les états de bits classiques sont indépendants les uns des autres, ce qui conduit au fait que N bits stockent N états. Mais les qubits peuvent être intriqués. Ils peuvent être couplés, ce qui signifie que N qubits peuvent 'traiter ' en quelque sorte jusqu'à deux à la puissance N états. Lorsque nous appliquons une opération logique à tous ces états en même temps, nous obtenons une parallélisation massive et une puissance de calcul très élevée.

Mais aucune de ces promesses de l'informatique quantique ne se concrétisera tant que quelqu'un ne trouvera pas le moyen de produire des qubits fiables de manière reproductible. Les Qubits sont actuellement mis en œuvre dans les laboratoires de manière personnalisée, mais les chercheurs d'Imec aimeraient changer cela. Ils ont commencé à chercher des moyens de produire des qubits à l'échelle industrielle.

"Pour construire un système d'un million de qubits, ou simplement un ordinateur quantique significatif, vous devez réduire la variabilité des qubits et augmenter le rendement de production, tout en maintenant la fidélité et la cohérence", explique Kristiaan De Greve, directeur scientifique et directeur de programme pour Quantum. Informatique à l'Imec.

"Les méthodes utilisées par certains des meilleurs laboratoires de recherche au monde ne vous permettront probablement pas d'aller jusqu'au bout. Nous avons une approche différente et essayons de voir si nous pouvons utiliser les outils existants de l'industrie des semi-conducteurs, où ils ont produit des circuits très complexes, avec une faible variabilité et un rendement élevé."

Il existe plusieurs approches différentes pour implémenter des qubits : optique quantique, ions piégés, résonance magnétique, supraconducteurs, lacune d'azote dans le diamant et points quantiques. Les chercheurs d'Imec se concentrent sur deux technologies : les dispositifs supraconducteurs et les boîtes quantiques semi-conductrices.

L'une des raisons de ces choix est qu'Imec considère ces technologies comme des moyens prometteurs de fabriquer des qubits de haute qualité. Mais la deuxième raison – la principale raison pour Imec – est que les qubits de ces deux technologies peuvent être fabriqués de manière compatible au premier ordre avec les installations complémentaires métal-oxyde-semi-conducteur (CMOS), installations dont Imec dispose en très haute qualité.

Un défi avec les deux approches est qu'elles fonctionnent à des températures très basses. Pour cette raison, Imec fait également des recherches en cryoélectronique, électronique qui peut fonctionner à très basse température.

Imec vise à construire des qubits et des tableaux de qubits appropriés et stables ainsi que les interfaces électroniques nécessaires, qui permettent aux programmeurs de configurer les qubits pour exécuter un programme, puis de lire les résultats.

Pour découvrir des techniques de production optimales, Imec a mis en place un processus de recherche, où ils essaient différents matériaux, architectures et techniques de production pour produire des qubits, puis testent les résultats pour mesurer quelles techniques fonctionnent le mieux.

La première phase de ses recherches est la phase de conception, où une équipe d'experts exécute des simulations pour trouver la meilleure conception, compte tenu des différents matériaux et des dimensions requises. Lorsque la phase de conception est terminée, ils passent à la deuxième phase, la phase de fabrication, qui commence par exécuter d'autres simulations pour trouver les moyens optimaux de créer les qubits, en déterminant le flux de processus le plus précis et les meilleurs paramètres et recettes.

Imec traite ensuite son échantillon dans l'usine, en surveillant de près les différentes étapes de traitement à l'aide de la caractérisation en ligne. Lorsque la fabrication des échantillons est réussie, ils passent à la dernière phase, la cryo-caractérisation ou la caractérisation à basse température.

Au final, ils se retrouvent avec une plaquette pleine de matrices, de sous-matrices et de puces qu'ils montent sur un porte-échantillon pour le mettre dans un réfrigérateur pour des mesures à très basse température. Les températures descendent à quelques millièmes de Kelvin, ce qui est bien plus frais que dans l'espace. À l'aide des mesures cryogéniques, les chercheurs d'Imec extraient les performances et les caractéristiques des qubits et évaluent le fonctionnement d'un processus de conception et de fabrication donné.

"Nous concentrons actuellement nos recherches sur la fabrication de dispositifs, et nous étudions différents matériaux d'empilement de grille et la technologie de structuration", explique Massar. "Nous étudions également différents matériaux de substrat et recettes de formation. Et nous examinons le budget thermique global de nos processus et la conséquence qu'il a sur la qualité du qubit.

"En même temps, nous travaillons sur le contrôle et la conception du qubit. Nous améliorons la conception de nos appareils, les appareils de contrôle du qubit et la qualité de la configuration de mesure. A titre d'exemple, au cours des derniers mois, nous ont travaillé sur la diminution du bruit électromagnétique dans notre configuration de mesure, ce qui conduit à une meilleure qualité sur le qubit lu.

"À l'autre extrémité, nous examinons également la qualité de la configuration de la caractérisation. Nous voulons améliorer la lecture du qubit et également améliorer notre configuration en termes de quantité de mesures et de qualité de chaque mesure."

Imec a fait de grands progrès. L'année dernière, il a démontré un processus compatible avec la fab pour fabriquer des qubits supraconducteurs à haute cohérence et transfère maintenant le processus du laboratoire à la fab. Ce faisant, ils espèrent ouvrir de nouvelles possibilités pour fabriquer des qubits fab avec une cohérence élevée et une faible variabilité.

Qui sait? Peut-être qu'un jour cela conduira à un ordinateur quantique d'un million de qubits.