Saut quantique : le premier circuit hybride quantique-photonic au monde

Avec des investissements en plein essor et des avancées se multipliant, la technologie quantique est plus proche que jamais de devenir une réalité. 

Selon McKinsey, les trois piliers principaux de la technologie quantique, qui sont l’informatique quantique, la communication quantique et la détection quantique, pourraient générer jusqu’à 97 milliards de dollars de chiffre d’affaires dans le monde entier dans la décennie à venir. 

La technologie repose sur les principes de la mécanique quantique pour créer des technologies innovantes qui dépassent les capacités des technologies classiques.

L’une des voies prometteuses pour développer des technologies quantiques est la photonique. Cela est dû à sa compatibilité naturelle avec les interconnects optiques pour la distribution de l’intrication, à sa robustesse face à la décohérence à température ambiante et à sa capacité à être réduite à une échelle de circuit intégré.

La photonique est la science de la lumière (photons) et traite de la génération, de la détection et de la manipulation de la lumière pour diverses applications.

Pour les systèmes quantiques-photonic, la photonique au silicium offre la plate-forme la plus évolutive. Ils peuvent être construits en utilisant les techniques de fabrication de semi-conducteurs développées dans l’industrie des micro-électroniques à oxyde métallique complémentaire (CMOS), qui produit déjà des circuits intégrés à grande échelle.

Alors que la photonique au silicium pourrait bientôt être utilisée pour créer un grand nombre de qubits physiques, nécessaires pour réaliser un traitement d’informations quantiques utile dans des dispositifs optiques miniaturisés pour générer et manipuler des états quantiques de la lumière, la construction de ces circuits intégrés quantiques-photonic au silicium pose de sérieux défis.

Les problèmes sont liés à la liaison thermique, aux non-linéarités des porteurs libres et à l’autochauffage, ainsi qu’à la nécessité de gérer une sensibilité extrême à toute variation de température et de processus. 

Le fait est que pour que les dispositifs quantiques-photonic au silicium fonctionnent correctement, ils nécessitent un contrôle et un suivi continus par des circuits électroniques. Ainsi, des électroniques en bloc ont été utilisées, ce qui résout partiellement les problèmes, mais cela entraîne également la perte de nombreux avantages d’une plate-forme à échelle de circuit intégré. 

Pour réaliser tout le potentiel de la photonique au silicium en tant que plate-forme pour le traitement de l’information quantique, nous devons résoudre le goulet d’étranglement du contrôle classique.

Un équipe interdisciplinaire de chercheurs a présenté un système électronique-photonic quantique sur puce. Il est fabriqué dans une fonderie de micro-électronique CMOS commerciale de 45 nm.

Ceci est la première puce hybride au monde qui combine l’électronique, la photonique et la puissance quantique. 

L’utilisation du CMOS rend la recherche encore plus louable. Cette technologie de semi-conducteur est la pierre angulaire de l’électronique moderne. Des entreprises telles que Samsung, Sony, Intel et TSMC l’utilisent pour produire en masse des électroniques.

Le nœud de 45 nm, quant à lui, est éprouvé et rentable. Il est également compatible avec la vaste infrastructure de fabrication du silicium.

Leur approche de contrôle modulaire entièrement intégrée, selon l’équipe, “ouvre la voie à la photonique quantique au silicium pour atteindre la grande échelle requise pour les prochaines générations de systèmes d’information quantique.”

La collaboration interdisciplinaire rapproche la technologie quantique de la réalité

L’étude la plus récente, qui marque une grande avancée dans la technologie quantique, a été menée par des chercheurs de l’UC Berkeley, de l’Université de Boston et de l’Université Northwestern.

“Le type de collaboration interdisciplinaire que cette étude a nécessitée est exactement ce qui est nécessaire pour faire passer les systèmes quantiques du laboratoire à des plateformes évolutives. Nous n’aurions pas pu le faire sans les efforts combinés en électronique, en photonique et en mesure quantique.”

– Prem Kumar, professeur d’ingénierie électrique et informatique à Northwestern

La recherche a été soutenue par la National Science Foundation. Publiée dans Nature Electronics, l’étude détaille le système qui a intégré avec succès des sources de lumière quantique et des électroniques de stabilisation sur une seule puce de silicium, fabriquée à l’aide du processus de semi-conducteur standard de 45 nm.¹ Cette combinaison permet à la puce de générer des flux de paires de photons corrélés en continu, qui sont la base de diverses applications quantiques.

Chaque puce de silicium comporte un réseau de “usines de lumière quantique”, au total douze sources de lumière quantique indépendantes qui sont alimentées par de la lumière laser. Ils dépendent également de résonateurs à anneau pour générer des paires de photons. Chacune de ces sources a une dimension inférieure à un millimètre dans chaque direction.

Ceci marque une grande étape vers le développement de systèmes quantiques plus complexes composés de plusieurs puces interconnectées et la production en masse de puces “d’usines de lumière quantique”. Selon l’auteur principal de l’étude, Miloš Popović, qui est professeur agrégé d’ingénierie électrique et informatique à BU :

“L’informatique quantique, la communication et la détection quantique sont sur un chemin de plusieurs décennies de la conception à la réalité. C’est un petit pas sur ce chemin – mais un pas important, car il montre que nous pouvons construire des systèmes quantiques répétables et contrôlables dans des fonderies de semi-conducteurs commerciales.”

Actuellement, dans les premiers stades de développement, la technologie quantique diffère des ordinateurs existants, qui utilisent des bits classiques qui sont soit zéro, soit un, en utilisant des qubits (bits quantiques). 

Ces qubits peuvent exister dans une superposition des deux états en même temps, permettant aux ordinateurs quantiques d’effectuer des calculs en parallèle, ce qui conduit à des accélérations massives. Ici, la superposition est l’existence d’un système quantique dans plusieurs états en même temps. 

Casser le code de l’évolutivité avec un autoreglage en temps réel

Maintenant, il existe différentes façons dont la technologie quantique peut être appliquée, et la photonique en est une, où un flux contrôlé de lumière, des photons uniques ou des paires de photons intriqués, est nécessaire pour effectuer leur fonction. 

Ces flux stables de lumière quantique sont générés en utilisant des dispositifs tels que des résonateurs à anneau et des points quantiques.

Les résonateurs à anneau sont des dispositifs photoniques précisément conçus qui permettent la génération d’états quantiques de la lumière sur une puce. Ceux-ci sont des éléments essentiels dans la photonique au silicium, car ils offrent un moyen très efficace de guider la lumière à l’échelle nanométrique. Cela est réalisé en faisant tourner la lumière en cercle pour atteindre une longueur d’onde ciblée (résonnance).

Pour générer des flux de lumière quantique sous la forme de paires de photons corrélés, les résonateurs à anneau doivent être accordés en synchronisation avec la lumière laser entrante qui alimente chaque “usine de lumière quantique” sur la puce. Il est également utilisé comme carburant pour le processus de génération.

Les résonateurs, cependant, sont très sensibles aux variations de température et de fabrication. Ceci peut les faire sortir de synchronisation et perturber la génération stable de lumière quantique.

Pour empêcher la perturbation de la génération de lumière lorsque les résonateurs sont poussés hors de synchronisation, l’équipe a construit un système intégré qui stabilise activement les sources de lumière quantique sur la puce, en particulier, les résonateurs générant des flux de photons corrélés. Ces sources de lumière sont présentes sur chaque puce et fonctionnent en parallèle. 

“Ce qui m’excite le plus, c’est que nous avons intégré le contrôle directement sur la puce – en stabilisant un processus quantique en temps réel. C’est une étape cruciale vers les systèmes quantiques évolutifs.”

– Anirudh Ramesh, un étudiant en doctorat à Northwestern qui a dirigé les mesures quantiques

Intéressant, la sensibilité extrême des résonateurs à anneau est en fait la base des sources de lumière quantique, la raison même pour laquelle les flux de lumière quantique peuvent être générés efficacement et dans une surface de puce minimale. Cependant, même de petits changements de température peuvent avoir un impact significatif sur le processus de génération de paires de photons. 

Pour surmonter ce problème, les chercheurs ont implanté un système de contrôle en temps réel directement sur la puce. Ils ont intégré des photodiodes à l’intérieur de chaque résonateur d’une manière spécifique, leur permettant de surveiller les performances, notamment l’alignement avec la lumière laser entrante, tout en préservant la génération de lumière quantique.

Pendant ce temps, des petits chauffages et une logique de contrôle sur la puce ajustent constamment la résonance en réponse au dérive. Ainsi, même si les conditions fluctuent, cette boucle de rétroaction intégrée maintient le processus de génération de lumière quantique, ce qui fait que le dispositif se comporte de manière prévisible.

L’autoreglage permet à tous les douze résonateurs de fonctionner ensemble en parfaite synchronisation, sans nécessiter aucun équipement de stabilisation encombrant. Ceci est un point majeur, car c’est une exigence clé pour l’évolutivité des systèmes quantiques. Selon Imbert Wang, un étudiant en doctorat à l’Université de Boston qui a dirigé la conception du dispositif photonique :

“Un défi clé par rapport à notre travail précédent était de pousser la conception photonique pour répondre aux exigences exigeantes de l’optique quantique tout en restant dans les contraintes strictes d’une plate-forme CMOS commerciale. Cela a permis la co-conception de l’électronique et de l’optique quantique comme un système unifié.”

Le système entier a été fabriqué dans une plate-forme de puce CMOS de 45 nm développée à travers une collaboration entre BU, UC Berkeley, GlobalFoundries et Ayar Labs. Le démarrage Ayar Labs est impliqué dans la création de technologie pour les puces à l’aide d’impulsions de lumière et a sécurisé 155 millions de dollars en financement de démarrage de la part d’AMD Ventures, Intel Capital et Nvidia à une valorisation de 1 milliard de dollars, ce qui “ouvre la voie à une production de volume.”

Le processus de fabrication permet des interconnects optiques avancés pour l’intelligence artificielle et le calcul haute performance, et maintenant des systèmes photoniques quantiques complexes sur une plate-forme de silicium évolutive.

“Notre objectif était de montrer que des systèmes photoniques quantiques complexes peuvent être construits et stabilisés entièrement dans une puce CMOS. Cela a nécessité une coordination étroite entre des domaines qui ne communiquent généralement pas entre eux.”

– Daniel Kramnik, un étudiant en doctorat à UC Berkeley qui a dirigé la conception de la puce, le conditionnement et l’intégration

La dépendance de la puce à l’égard des techniques qui sont déjà en cours d’utilisation signifie qu’il n’y a pas besoin de créer de nouveaux ensembles, ce qui ouvre la voie à une informatique quantique évolutive.

Investir dans les systèmes quantiques 

Le monde de la technologie quantique progresse rapidement, se rapprochant de la réalité à chaque année qui passe. Ici, International Business Machines (IBM ) est l’un des leaders de l’espace, en particulier dans l’informatique quantique. Récemment, des chercheurs d’IBM et du démarrage quantique Pasqal ont publié un livre blanc2, dans lequel ils ont exposé la définition de l’avantage quantique, comment les revendications peuvent être scientifiquement validées, et les moyens de l’atteindre.

International Business Machines (IBM )

Ce mois-ci, IBM Quantum a même travaillé avec Moderna pour modéliser la structure d’ARNm en utilisant une simulation quantique. Pour cela, ils ont utilisé 80 qubits d’un processeur IBM Quantum Heron, qui a exécuté un algorithme spécialisé dans le but d'”améliorer la santé humaine”.

“Nous pensons qu’il est essentiel d’explorer tous les outils disponibles, y compris l’informatique quantique, pour amplifier nos progrès d’aujourd’hui, plutôt que d’attendre que la technologie soit pleinement mature dans le futur.”

– Directeur scientifique associé de Moderna pour les algorithmes et les applications quantiques, Alexey Galda

Le mois dernier, IBM a également fait une grande annonce qu’il est en train de construire le premier ordinateur quantique à grande échelle qu’il prévoit de livrer aux clients en 2029. 

L’ordinateur quantique à tolérance aux fautes appelé IBM Starling sera 20 000 fois plus puissant que les ordinateurs quantiques existants et “requerrait la mémoire de plus d’un quindecillion des supercalculateurs les plus puissants du monde”.

Selon la feuille de route de l’entreprise, l’arrivée de Starling suivra plusieurs jalons, notamment la première démonstration de l'”avantage quantique” l’année prochaine, où les ordinateurs quantiques commenceront à dépasser les ordinateurs classiques dans des applications de calcul pratiques.

Mais avant cela, IBM Quantum Loon sera lancé plus tard cette année, ainsi que son processeur Nighthawk. Et quelque temps l’année prochaine, IBM Quantum Kookaburra suivra, avec le premier processeur modulaire de l’entreprise pour stocker et traiter des informations codées. Ensuite, IBM Quantum Cockatoo sera mis en ligne l’année suivante, dont l’architecture “reliera les puces quantiques comme des nœuds dans un système plus large, évitant ainsi la nécessité de construire des puces impraticablement grandes”.

Ces sorties finiront par conduire au lancement de Starling avant la fin de la décennie. Cette innovation vise à exécuter “100 millions d’opérations quantiques à l’aide de 200 qubits logiques”.

Avec Starling, IBM vise à résoudre des défis du monde réel, quelque chose que la technologie quantique n’a pas encore réalisé. Selon son PDG, Arvind Krishna, l’ordinateur quantique de l’entreprise débloquera également “d’immenses possibilités pour les entreprises”.

Selon sa feuille de route, les objectifs d’informatique quantique d’IBM vont au-delà de Starling. Blue Jay sera la deuxième génération d’ISA de calcul quantique à tolérance aux fautes, qui n’est pas attendue avant 2033. À ce moment-là, la plate-forme de calcul peut être étendue à 1 milliard de portes et 2 000 qubits logiques. 

En ce qui concerne les performances du marché de la société de 262 milliards de dollars de capitalisation boursière IBM, qui est un fournisseur d’expertise hybride cloud et d’intelligence artificielle, ses actions sont actuellement négociées à plus de 265 dollars, en hausse de 28,29 % depuis le début de l’année. La société verse un rendement des dividendes de 2,38 %.

Récemment, la société a publié ses résultats du deuxième trimestre 2025, qui ont montré une augmentation de 8 % du chiffre d’affaires à 17 milliards de dollars, 6,1 milliards de dollars en flux de trésorerie d’exploitation et un flux de trésorerie disponible de 4,8 milliards de dollars.

“Nous avons encore une fois dépassé les attentes en termes de chiffre d’affaires, de bénéfice et de flux de trésorerie disponible. IBM se distingue fortement sur le marché en raison de notre profonde innovation et de notre expertise de domaine, essentielles pour aider les clients à déployer et à mettre à l’échelle l’intelligence artificielle. Notre carnet de commandes d’intelligence artificielle générative continue d’accélérer et s’élève maintenant à plus de 7,5 milliards de dollars.”

– PDG Krishna

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Conclusion

La technologie quantique progresse rapidement, se rapprochant de la réalité, grâce à des avancées comme les puces hybrides quantique-électronique-photonic. 

En intégrant des sources de lumière quantique, des électroniques de stabilisation et une fabrication évolutive dans une seule puce, l’étude a créé de manière optimale un plan directeur pour l’avenir quantique. Et à mesure que les systèmes photoniques quantiques progressent, les dernières puces hybrides pourraient devenir la base des technologies comme la détection avancée, les réseaux de communication sécurisés et l’informatique quantique.

Avec IBM construisant des processeurs quantiques massifs, les temps sont sûrement excitants, avec la prochaine décennie qui semble prête à marquer le point où l’informatique quantique aura finalement un impact sur le monde réel.

Cliquez ici pour obtenir une liste des principales sociétés d’informatique quantique de 2025.

Références :

1. Kramnik, D.; Wang, I.; Ramesh, A.; Ghorbani, M.; Patel, V.; Lin, Y.; Choi, H.; Liu, Q.; Das, R.; Jensen, T.; Nakamura, S.; Lee, J.; Bowers, J. E.; Faraon, A.; Englund, D.; Painter, O.; Vučković, J. Scalable Feedback Stabilization of Quantum Light Sources on a CMOS Chip. Nature Electronics, 8, (2025). Publié en ligne le 14 juillet 2025. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01410-5
2. Lanes, O.; Beji, M.; Corcoles, A. D.; Dalyac, C.; Gambetta, J. M.; Henriet, L.; Javadi-Abhari, A.; Kandala, A.; Mezzacapo, A.; Porter, C.; Sheldon, S.; Watrous, J.; Zoufal, C.; Dauphin, A.; Peropadre, B. A framework for quantum advantage. arXiv preprint arXiv:2506.20658v2 [quant-ph] (2025). Publié en ligne le 14 juillet 2025. https://doi.org/10.48550/arXiv.2506.20658