Des puces photoniques produites en masse pourraient débloquer la mise à l'échelle quantique

Des ingénieurs de l'Université du Colorado à Boulder viennent de franchir une étape cruciale pour l'adoption de l'informatique quantique : la mise à l'échelle. L'extrême précision requise pour créer des dispositifs quantiques n'a pas encore pu être reproduite à grande échelle, ce qui explique pourquoi leur coût reste hors de portée pour la majorité des gens.

Heureusement, cette situation devrait évoluer dans les prochaines années grâce à cette avancée récente qui utilise les méthodes de fabrication CMOS traditionnelles pour créer des puces quantiques stables, beaucoup plus petites et abordables que tout ce qui existe actuellement. Voici ce qu'il faut savoir.

Informatique quantique vs. informatique classique : la différence photonique

Contrairement aux ordinateurs classiques, les ordinateurs quantiques n'utilisent ni bits ni puces traditionnelles. Ils s'appuient plutôt sur la superposition quantique et les qubits pour effectuer des calculs. L'une des méthodes les plus courantes pour construire des ordinateurs quantiques consiste à utiliser des modulateurs photoniques optiques.

Ces dispositifs permettent aux ordinateurs quantiques d'utiliser des ions piégés ou des atomes neutres comme qubits. Ces puces permettent aux ingénieurs de diriger un laser accordable vers les qubits, qui communiquent les instructions de fonctionnement pour les calculs par modulation de fréquence.

Le goulot d'étranglement de la mise à l'échelle : pourquoi la production de masse a échoué

Les méthodes de fabrication actuelles des ordinateurs quantiques présentent plusieurs problèmes. Le principal est l'absence de production de masse. Ces puces sont si sensibles et précises qu'elles doivent, dans la plupart des cas, être fabriquées individuellement en laboratoire. Actuellement, l'assemblage repose sur le travail manuel d'ingénieurs qui assemblent la majeure partie du dispositif.

De plus, ces dispositifs intègrent des faisceaux laser de haute puissance pour permettre un réglage précis de plusieurs qubits. Ils doivent donc être fiables et résistants à la chaleur, surtout si l'on considère que les futurs ordinateurs quantiques pourraient utiliser des milliers de qubits.

Limites du facteur de forme

Les puces quantiques actuelles sont trop volumineuses pour être utilisées dans la plupart des applications. Elles nécessitent un refroidissement cryogénique, de longs trajets optiques et une conception des qubits espacés. Cette configuration permet certes de réduire le bruit, mais elle les rend extrêmement volumineuses par rapport aux puces informatiques classiques.

De plus, les futures générations d'ordinateurs quantiques utiliseront davantage de qubits, ce qui signifie que les ordinateurs quantiques les plus avancés d'aujourd'hui ne représentent qu'une infime partie de ce qui sera accessible au grand public d'ici une dizaine d'années. Par conséquent, ces dispositifs devront être miniaturisés à une taille raisonnable avant de pouvoir être adoptés à grande échelle.

La chaleur détruit l'état quantique

L'énergie laser utilisée pour communiquer avec les qubits pose également problème, car elle génère une chaleur importante. La chaleur a toujours été un facteur problématique pour les ordinateurs, quelle que soit leur configuration. Or, les ordinateurs quantiques reposent sur le maintien d'un état quantique fragile pour effectuer leurs calculs. C'est pourquoi ils nécessitent un refroidissement cryogénique. Par conséquent, la chaleur peut rendre ces dispositifs inutilisables.

Percée majeure : circuits photoniques compatibles CMOS

L'étude "Modulation de phase acousto-optique à fréquence gigahertz de la lumière visible dans un circuit photonique fabriqué en CMOS,« publié »¹ Dans la revue Nature Communications, une approche entièrement nouvelle pour la production de puces quantiques optiques est présentée.

Ce nouveau procédé est perçu par beaucoup comme un premier pas vers la révolution de l'informatique photonique. Ce dispositif, cent fois plus fin qu'un cheveu, intègre des technologies modulaires pour atteindre un niveau d'efficacité et de stabilité inédit.

Ce modulateur de phase acousto-optique à fréquence gigahertz, conçu à cet effet, combine un transducteur piézoélectrique et un guide d'ondes photonique, minimisant ainsi le facteur de forme tout en conservant une structure à l'échelle de la longueur d'onde.

Modulateur de phase optique

Le modulateur de phase optique amélioré permet de contrôler la lumière laser à l'aide de fréquences micro-ondes. Ces micro-ondes excitent la lumière et la font vibrer des milliards de fois par seconde, ce qui permet un réglage précis, ainsi qu'une stabilité et une efficacité accrues. Plus précisément, le modulateur acousto-optique intègre un guide d'ondes photonique monté sur un transducteur piézoélectrique.

La fabrication CMOS permet la production de masse

Afin de respecter les contraintes dimensionnelles strictes, les ingénieurs ont opté pour la fabrication du dispositif sur une plaquette de 200 mm, découpée ensuite en 120 puces. Le procédé, basé sur une plateforme piézo-optomécanique en nitrure d'aluminium-SiNx, a permis d'exploiter la modulation de phase pour générer des bandes latérales à fréquence gigahertz sur un laser d'entrée de 730 nm.

Ce qui est encore plus impressionnant, c'est qu'ils ont utilisé des techniques de fabrication de puces standard pour créer ces dispositifs, ce qui signifie qu'ils pourront être produits en masse à l'avenir, ouvrant ainsi la voie à un accès plus large à l'informatique quantique.

Lorsqu'ils ont présenté leur approche, les ingénieurs ont expliqué que la fabrication CMOS représente le summum de la technologie évolutive et que son utilisation pour créer des puces quantiques est cruciale pour une adoption plus large.

Plus précisément, les ingénieurs ont expliqué comment cette technologie a rendu possible nombre de vos appareils high-tech préférés, tels que les smartphones, les ordinateurs portables et autres objets du quotidien. Ils ont également expliqué comment elle a contribué à la diffusion de cette technologie et comment elle jouera le même rôle pour les appareils quantiques de demain.

La source - Communications Nature

Fonctionnement bimode : optique et électromécanique

Il convient de noter que le modulateur de phase optique peut fonctionner selon deux modes distincts. Le premier est le mode optique de propagation, qui propage et guide les guides d'ondes photoniques sur les circuits. Cette stratégie permet la distribution, le routage et la cohérence de l'intrication, ce qui la rend essentielle pour la plupart des opérations.

Le second mode est la résonance mécanique en mode respiratoire excitable électriquement, qui repose sur l'application de micro-ondes à des nanostructures, créant ainsi une actionnement piézoélectrique. Ces micro-ondes modifient les taux d'oscillation des photons et les champs optiques. Ce mode supporte notamment des puissances optiques élevées, ce qui le rend idéal pour les calculs quantiques avancés.

Indicateurs de performance : stabilité et efficacité

Les ingénieurs ont effectué plusieurs tests sur un analyseur de spectre radiofréquence afin de vérifier le fonctionnement de la puce. Pour ce faire, l'équipe a fixé la puce sur un bras auquel était reliée une source laser couplée à un interféromètre à fibre optique.

L'autre extrémité du dispositif était reliée à un convertisseur de fréquence acousto-optique (AOFS). Les ingénieurs ont fait passer la lumière à travers les deux extrémités du dispositif, puis l'ont recombinée à l'aide d'un coupleur directionnel 50/50. Ceci permet de diriger les photons vers l'analyseur de spectre, améliorant ainsi la précision.

La nouvelle puce a atteint une puissance optique de 730 nm, dépassant ainsi l'objectif de 500 mW fixé par les ingénieurs. De plus, l'équipe a pu optimiser la géométrie du dispositif afin d'améliorer encore l'interaction optomécanique. Ce test a révélé des profondeurs de modulation atteignant 4.85 rad avec seulement 80 mW de micro-ondes à une fréquence de 2.31 GHz.

De manière impressionnante, l'unité a enregistré la plus faible perte de fréquence jamais atteinte par une puce. Plus précisément, les ingénieurs ont constaté que la nouvelle puce était 15 fois plus stable et 100 fois plus efficace en termes de consommation d'énergie micro-ondes que les puces quantiques actuellement utilisées.

Principaux avantages de la fabrication CMOS

La production en masse de puces photoniques offrira de nombreux avantages au marché. Tout d'abord, leur fabrication à grande échelle permettra à cette technologie de passer d'un accès exclusif à une solution informatique courante. Cette méthode de fabrication, plus abordable, permettrait aux ingénieurs de créer des ordinateurs quantiques relativement petits intégrant des milliers de qubits.

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Cette méthode de fabrication permet, pour la première fois, de créer des versions identiques de ces dispositifs complexes de haute technologie. Grâce à cette capacité, les ingénieurs pourront concevoir et diffuser largement leurs futurs ordinateurs quantiques en utilisant des méthodes déjà existantes.

Petite taille

L'un des principaux avantages de cette architecture réside dans sa taille réduite. Cent fois plus petites qu'un cheveu, ces puces sont capables de prendre en charge des ordinateurs quantiques puissants. Ces unités intégreront des milliers de qubits, à l'instar de celles d'IBM. (IBM + 0.34%)La puce Condor, qui gère 1 121 qubits, a un format beaucoup plus grand en raison de la taille plus importante de la couche laminée.

Optimisation

Ces puces présentent des caractéristiques impressionnantes : leur puissance de calcul pourrait égaler celle des machines les plus performantes d'aujourd'hui. Elles peuvent supporter une puissance optique supérieure à 500 mW, ce qui représente actuellement la limite supérieure pour l'informatique quantique de pointe. De plus, leur conception innovante permet d'atteindre une puissance optique et une précision accrues tout en consommant beaucoup moins d'énergie.

Plus efficace

La modulation de phase utilisée dans cette approche requiert une puissance micro-ondes bien moindre que les méthodes précédentes. Plus précisément, les ingénieurs ont constaté que leur dispositif peut réaliser des opérations quantiques en consommant 80 fois moins d'énergie. Par conséquent, il produit beaucoup moins de chaleur, ce qui permet de l'intégrer à un plus grand nombre de puces pour créer des dispositifs plus performants.

Applications concrètes : détection et mise en réseau

Cette technologie offre de nombreuses applications. Son utilisation la plus évidente sera le soutien à la conception des futurs ordinateurs quantiques. Ces puces hautes performances sont suffisamment petites pour être intégrées de manière compacte et suffisamment économes en énergie pour éviter tout problème de surchauffe dans cette configuration.

Détection quantique

Les capteurs quantiques offrent une précision bien supérieure aux capteurs traditionnels. Ils y parviennent grâce à la superposition, l'intrication et la compression quantique. Ces phénomènes permettent au dispositif de mesurer avec précision les variations de champs magnétiques, de gravité, de temps, de température, et bien plus encore. Ces puces pourraient contribuer à rendre ces capteurs plus abordables.

Réseaux quantiques

Une autre application clé est le réseau quantique. Cette technologie exploite l'intrication quantique pour transmettre des données à des débits élevés. Plus précisément, elle utilise les paires de Bell quantiques et la téléportation pour transférer des états sans clonage. L'objectif est de créer un jour l'infrastructure de l'internet quantique.

Voie vers la commercialisation : Feuille de route sur 7 à 10 ans

Il faudra environ 7 à 10 ans avant que cette technologie ne soit accessible au grand public. Cette technique de fabrication sera un facteur déterminant pour l'adoption des technologies quantiques, mais elle doit d'abord être perfectionnée. Cependant, une fois le bon fabricant en place, la stratégie de réduction des coûts favorisera une intégration et une adoption plus larges.

Équipe de recherche et financement

L’Université du Colorado à Boulder a accueilli l’étude sur les puces photoniques, en collaboration avec les Laboratoires nationaux Sandia. Plus précisément, Nils T. Otterstrom, Matt Eichenfield, Jacob M. Freedman, Matthew J. Storey, Daniel Dominguez, Andrew Leenheer et Sebastian Magri ont contribué à ces travaux.

Cette étude a bénéficié d'un soutien financier et matériel du Département de l'Énergie des États-Unis dans le cadre du programme Quantum Systems Accelerator, hébergé par le National Quantum Initiative Science Research Center.

Objectifs de recherche futurs

L'équipe se concentre désormais sur la création de circuits photoniques intégrés capables de surpasser les performances actuelles. Elle cherche à améliorer ses capacités de génération et de filtrage de fréquence sur puce, ainsi que son approche de mise en forme d'impulsions, afin d'optimiser les performances.

Par ailleurs, les ingénieurs rechercheront des partenaires stratégiques pour faciliter la mise en œuvre de leur méthode de fabrication. Cette étape implique de contacter les principaux sites de fabrication CMOS et de réserver une partie de leurs installations pour cette nouvelle conception de puce.

Actions à suivre dans le secteur de l'informatique quantique

Le secteur de l'informatique quantique poursuit son expansion, et la concurrence s'intensifie chaque mois. Les concepteurs, fabricants de puces et programmeurs de pointe en informatique quantique repoussent sans cesse les limites de cette technologie, ouvrant la voie à des innovations majeures en matière de puissance de calcul. Voici une entreprise qui demeure à l'avant-garde de cette révolution.

IonQ (IONQ) : Un leader des systèmes à ions piégés

IonQ (IONQ -4.58%) Lancée en 2015, cette entreprise a pour mission de faire progresser la technologie quantique. Elle a été fondée par deux experts en informatique quantique, Christopher Monroe et le Dr Jungsang Kim. Christopher Monroe, notamment, a joué un rôle déterminant dans les études quantiques et est considéré comme un pionnier du secteur.

IonQ a contribué à l'innovation technologique, notamment en créant la première puce opérationnelle à ions d'ytterbium de 5 mm exécutant l'algorithme de Deutsch-Jozsa. L'entreprise a également lancé le premier service commercial de QCaaS à ions piégés. Ces avancées lui ont permis de lever 636 millions de dollars.

L'entreprise propose actuellement plusieurs produits quantiques de pointe, notamment son système Aria à 32 qubits monté en rack. De plus, elle a établi des partenariats stratégiques avec AWS, Azure, Google Cloud et d'autres fournisseurs de services cloud de premier plan.

Les entreprises à la recherche d'un fournisseur de solutions d'informatique quantique réputé et fort d'une longue expérience devraient approfondir leurs recherches sur IonQ. La société affiche actuellement une capitalisation boursière de 16.3 milliards de dollars. À noter que son action a récemment connu une certaine volatilité, avec un cours maximal de 84.64 dollars et un cours minimal de 17.88 dollars.

Dernières actualités et performances de l'action IonQ (IONQ)

Conclusion

L'importance de développer une méthode de production en série de puces photoniques est capitale. Cette technologie est au cœur du développement de l'informatique quantique et devra être perfectionnée avant d'être accessible au grand public. Cette avancée récente permettra sans aucun doute de réduire les coûts de fabrication des dispositifs quantiques, ce qui, à terme, devrait garantir un approvisionnement stable en puces sur le marché.

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Références

^{1. Freedman, JM, Storey, MJ, Dominguez, D., Leenheer, A., Magri, S., Otterstrom, NT, & Eichenfield, M. (2025). Modulation de phase acousto-optique à fréquence gigahertz de la lumière visible dans un circuit photonique fabriqué en CMOS. Nature Communications, 16(1), 10959. https://doi.org/10.1038/s41467-025-65937-z}