Bond Quantique: Le tout premier puce hybride quantique‑photonique

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

Selon McKinsey, les trois piliers principaux de la technologie quantique, à savoir l’informatique quantique, la communication quantique et le capteur quantique, pourraient ensemble générer jusqu’à $97 billion in revenue dans le monde au cours de la prochaine décennie. 

La technologie exploite 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 les technologies quantiques passe par la photonique. Cela est dû à sa compatibilité naturelle avec les interconnexions optiques pour la distribution d’intrication, à sa robustesse face à la décohérence à température ambiante, et à sa capacité à être réduite à une échelle de puce.

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‑photoniques, la photonique sur silicium offre la plateforme la plus évolutive. Ils peuvent être fabriqués en utilisant les techniques de fabrication semi‑conduitrices développées dans l’industrie des micro‑électroniques à oxyde métallique complémentaire (CMOS), qui produit déjà des puces à grande échelle.

Bien que la photonique sur silicium puisse bientôt être utilisée pour créer un grand nombre de qubits physiques, nécessaires pour réaliser un traitement d’information quantique utile dans des dispositifs optiques miniaturisés pour générer et manipuler des états quantiques de la lumière, la construction réelle de ces circuits intégrés quantiques‑photoniques sur silicium pose de sérieux défis.

Les problèmes sont liés aux interférences thermiques, aux non‑linéarités dues aux porteurs libres et à l’auto‑échauffement, ainsi qu’à la nécessité de gérer une sensibilité extrême à toute variation de température et de procédé. 

Le problème est que, pour que les dispositifs quantiques photoniques en silicium fonctionnent correctement, ils nécessitent une surveillance continue ainsi qu’un contrôle par des circuits électroniques. Ainsi, des électroniques volumineuses hors puce ont été utilisées, ce qui atténue partiellement les problèmes, mais cela entraîne également la perte de nombreux avantages d’une plateforme à l’échelle de la puce. 

Afin de réaliser le plein potentiel de la photonique sur silicium comme plateforme de traitement de l’information quantique, nous devons résoudre le goulot d’étranglement du contrôle classique.

Ainsi, une équipe interdisciplinaire de chercheurs a présenté un système quantique électronique‑photonique sur puce. Il est fabriqué dans une fonderie de micro‑électronique CMOS commerciale de 45 nm.

Il s’agit de la toute première puce hybride qui combine électronique, photonique et puissance quantique. 

L’utilisation du CMOS rend la recherche d’autant plus louable. Cette technologie semi‑conductrice est la pierre angulaire de l’électronique moderne. Des entreprises comme Samsung, Sony, Intel (INTC ) et TSMC l’utilisent pour produire massivement des appareils électroniques.

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

Leur approche de contrôle modulaire entièrement intégrée, selon l’équipe, « ouvre la voie à la photonique quantique sur silicium pour atteindre l’échelle massive requise par les futures générations de systèmes d’information quantique ». 

Collaboration interdisciplinaire rapproche la technologie quantique de la réalité

La dernière étude, qui représente une avancée majeure 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 requis pour ce travail est exactement ce dont nous avons besoin pour faire passer les systèmes quantiques du laboratoire aux plateformes évolutives. Nous n’aurions pas pu le faire sans les efforts conjoints en électronique, photonique et 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 en silicium, fabriquée à l’aide du processus semi‑conducteur standard de 45 nm.

Cette combinaison permet à la puce de générer en permanence des flux de paires de photons corrélés, qui constituent la base de diverses applications quantiques.

Chaque puce en silicium possède un ensemble de « usines de lumière quantique », au total douze sources de lumière quantique indépendantes alimentées par un laser. Elles dépendent également de résonateurs à micro‑anneau pour générer des paires de photons. Chacune de ces sources mesure moins d’un millimètre dans chaque direction.

Cela représente une avancée majeure vers le développement de systèmes quantiques plus complexes composés de multiples puces interconnectées et la production en masse de puces « usines de lumière quantique ». Selon l’auteur principal de l’étude, Miloš Popović, professeur associé d’ingénierie électrique et informatique à BU :

« L’informatique quantique, la communication et le capteur sont sur un chemin de plusieurs décennies du concept 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 semi‑conductrices commerciales. »

Actuellement, aux premiers stades de développement, la technologie quantique diffère des ordinateurs existants, qui utilisent des bits classiques soit à zéro soit à un, en exploitant des bits quantiques (qubits).

Ces qubits peuvent exister en superposition des deux états simultanément, 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 à la fois.

Décrypter le code de l’évolutivité avec l’auto‑ajustement en temps réel

Aujourd’hui, il existe différentes manières d’appliquer la technologie quantique, et la photonique en est une, où un flux contrôlé de lumière, de photons uniques ou de paires de photons intriqués, est nécessaire pour remplir leur fonction. 

Ces flux continus de lumière quantique sont générés à l’aide d’appareils tels que les résonateurs à micro‑anneau et les points quantiques.

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

Pour générer des flux de lumière quantique sous forme de paires de photons corrélés, les résonateurs à micro‑anneau doivent être réglés en synchronisation avec le laser entrant alimentant chaque usine de lumière quantique sur la puce. Il est également utilisé comme carburant pour le processus de génération.

Cependant, les résonateurs sont très sensibles aux variations de température et de fabrication. Cela peut les désynchroniser et perturber la génération continue de lumière quantique.

Pour éviter la perturbation de la génération de lumière lorsque les résonateurs sont désynchronisés, 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 lumineuses sont présentes sur chaque puce et fonctionnent en parallèle. 

« Ce qui m’enthousiasme le plus, c’est que nous avons intégré le contrôle directement sur la puce — stabilisant un processus quantique en temps réel. C’est une étape cruciale vers des systèmes quantiques évolutifs. »

– Anirudh Ramesh, doctorant à Northwestern qui a dirigé les mesures quantiques

Il est intéressant de noter que l’extrême sensibilité des résonateurs à micro‑anneau constitue en fait la base des sources de lumière quantique, la raison même pour laquelle les flux de lumière quantique peuvent être générés efficacement et sur une zone de puce minimale. Cependant, même de petites variations de température peuvent impacter de façon significative 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 le laser entrant, tout en préservant la génération de lumière quantique.

Parallèlement, de minuscules chauffages et une logique de contrôle sur la puce ajustent constamment la résonance en réponse aux dérives. Ainsi, même lorsque les conditions fluctuent, cette boucle de rétroaction intégrée maintient le processus de génération de lumière quantique, faisant que le dispositif se comporte de manière prévisible.

L’auto‑ajustement permet aux douze résonateurs de fonctionner ensemble en parfaite synchronisation, sans nécessiter d’équipement de stabilisation volumineux. C’est un point majeur, car c’est une exigence clé pour faire évoluer les systèmes quantiques. Selon Imbert Wang, doctorant à l’Université de Boston qui a dirigé la conception du dispositif photonique :

« Un défi majeur par rapport à nos travaux précédents était de pousser la conception photonique afin de répondre aux exigences exigeantes de l’optique quantique tout en restant dans les contraintes strictes d’une plateforme CMOS commerciale. Cela a permis la co‑conception de l’électronique et de l’optique quantique en tant que système unifié. »

L’ensemble du système a été fabriqué sur une plateforme de puces CMOS commerciale de 45 nm développée grâce à une collaboration entre BU, UC Berkeley, GlobalFoundries (GFS ) et Ayar Labs. La startup Ayar Labs participe à la création de technologies pour puces utilisant des impulsions de lumière et a sécurisé 155 millions de dollars de financement de capital‑risque de AMD Ventures, Intel Capital et Nvidia (NVDA ), avec une valorisation de 1 milliard de dollars, ce qui « prépare le terrain pour la production en volume ». 

Le processus de fabrication permet des interconnexions optiques avancées pour l’IA et le supercalcul, et désormais des systèmes photoniques quantiques complexes sur une plateforme silicium évolutive.

« Notre objectif était de démontrer que des systèmes photoniques quantiques complexes peuvent être construits et stabilisés entièrement au sein d’une puce CMOS. Cela a nécessité une coordination étroite entre des domaines qui ne communiquent généralement pas entre eux. »

– Daniel Kramnik, doctorant à UC Berkeley qui a dirigé la conception, l’emballage et l’intégration de la puce

La dépendance de la puce aux techniques déjà utilisées signifie qu’il n’est pas nécessaire de créer de nouveaux dispositifs, ouvrant ainsi la voie à l’informatique quantique évolutive.

Investir dans les systèmes quantiques 

Le monde de la technologie quantique progresse rapidement, se rapprochant de la réalité chaque année. Ici, International Business Machines (IBM ) fait partie des leaders du secteur, notamment en informatique quantique. Récemment, des chercheurs d’IBM® et de la startup quantique Pasqal ont publié un livre blanc, dans lequel ils ont défini l’avantage quantique, comment les affirmations peuvent être validées scientifiquement, et les moyens de l’atteindre.

International Business Machines (IBM )

Ce mois-ci, IBM Quantum a même collaboré avec Moderna pour modéliser la structure de l’ARNm à l’aide d’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 chaque outil disponible, y compris l’informatique quantique, pour accélérer nos progrès dès aujourd’hui, plutôt que d’attendre que la technologie mûrisse pleinement à l’avenir. »

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

Le mois dernier, IBM a également fait une grande annonce selon laquelle elle construit le tout premier ordinateur quantique à grande échelle au monde, qu’elle prévoit de livrer aux clients en 2029. 

L’ordinateur quantique tolérant aux fautes, appelé IBM Starling, sera 20 000 fois plus puissant que les ordinateurs quantiques existants et « nécessiterait la mémoire de plus d’un quindécillion des superordinateurs les plus puissants du monde ». 

Selon la feuille de route de l’entreprise, l’arrivée de Starling s’inscrirait après plusieurs étapes clés, dont la première démonstration de « avantage quantique » l’an prochain, où les ordinateurs quantiques commenceront à dépasser les ordinateurs classiques dans des applications informatiques pratiques.

Mais avant cela, IBM Quantum Loon sera lancé plus tard cette année avec son puce Nighthawk. Et l’an prochain, IBM Quantum Kookaburra suivra, présentant le premier processeur modulaire de l’entreprise pour stocker et traiter l’information encodée. Ensuite, IBM Quantum Cockatoo sera déployé l’année suivante, dont l’architecture « connectera les puces quantiques comme des nœuds d’un système plus vaste, évitant ainsi la nécessité de construire une puce impraticablement grande ». 

Ces sorties mèneront finalement au lancement de Starling avant la fin de la décennie. Cette innovation vise à exécuter « 100 millions d’opérations quantiques en utilisant 200 qubits logiques ». 

Avec Starling, IBM vise à résoudre des défis réels, ce que la technologie quantique n’a pas encore accompli. Selon son PDG, Arvind Krishna, leur ordinateur quantique « déverrouillera 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 l’ISA d’informatique quantique tolérante aux fautes de deuxième génération, qui ne devrait arriver qu’après 2033. D’ici là, la plateforme de calcul pourrait évoluer jusqu’à 1 milliard de portes et 2 000 qubits logiques.

En ce qui concerne la performance boursière d’IBM, dont la capitalisation boursière s’élève à 262 milliards de dollars et qui fournit des services mondiaux de cloud hybride, d’IA et de conseil, ses actions se négocient actuellement au-dessus de 265 $, en hausse de 28,29 % depuis le début de l’année. L’entreprise verse un rendement de dividende de 2,38 %.

Plus récemment, l’entreprise a publié ses résultats du deuxième trimestre 2025, qui ont montré une hausse de 8 % du chiffre d’affaires à 17 milliards de dollars, 6,1 milliards de dollars de trésorerie nette provenant des activités opérationnelles, et un flux de trésorerie disponible de 4,8 milliards de dollars.

« Nous avons de nouveau dépassé les attentes en matière de revenus, de bénéfices et de flux de trésorerie disponible au cours du trimestre. IBM reste fortement différenciée sur le marché grâce à notre profonde innovation et à notre expertise sectorielle, toutes deux cruciales pour aider les clients à déployer et à faire évoluer l’IA. Notre portefeuille d’affaires en IA générative continue de s’accélérer et s’élève désormais à plus de 7,5 milliards de dollars. »

– PDG Krishna

Dernières actualités et développements boursiers d’International Business Machines (IBM)

Conclusion

La technologie quantique progresse rapidement, passant du concept à une industrie évolutive, portée par des percées telles que les puces hybrides quantique‑électronique‑photonique. 

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 une feuille de route pour le futur quantique. Et à mesure que les systèmes photoniques quantiques progressent, les dernières puces hybrides pourraient devenir la base de technologies telles que la détection avancée, les réseaux de communication sécurisés et l’informatique quantique.

Avec IBM qui construit d’énormes processeurs quantiques, les temps sont assurément passionnants, la prochaine décennie semblant idéale pour marquer le moment où l’informatique quantique offrira enfin un impact concret.

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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. Stabilisation à rétroaction évolutive des sources de lumière quantique sur une puce CMOS. 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. Un cadre pour l’avantage quantique. prépublication arXiv arXiv:2506.20658v2 [quant‑ph] (2025). Publié en ligne le 14 juillet 2025. https://doi.org/10.48550/arXiv.2506.20658