Des puces quantiques presque réalistes grâce à une conception en silicium évolutive

Les chercheurs de Diraq ont dévoilé une méthode de fabrication de bits quantiques haute fidélité, commercialement viable et à grande échelle, qui pourrait révolutionner le secteur informatique. Cette démonstration de principe s'appuie sur des procédés de fabrication traditionnels utilisés depuis des décennies pour produire des puces d'ordinateurs quantiques fiables, à grande échelle et tolérantes aux pannes, conservant une fidélité maximale. Voici ce que vous devez savoir.

La demande d'ordinateurs quantiques abordables est en hausse

La demande de services et de spécialistes en informatique quantique est en pleine croissance. Selon des données récentes (lire ici)Les entreprises ont déjà investi 2.35 milliards de dollars dans les services quantiques l'année dernière. De plus, le secteur a connu une hausse significative des embauches : les statistiques LinkedIn indiquent une hausse de 180 % du nombre d'entreprises recherchant des professionnels du quantique entre 2020 et 2024.

La demande croissante en informatique quantique s'explique par de nombreuses raisons. L'une d'elles est liée aux applications militaires. Partout dans le monde, les armées ont investi des sommes considérables dans l'espoir d'obtenir un avantage concurrentiel sur leurs concurrents.

Initiative d'analyse comparative quantique

L'Agence américaine pour les projets de recherche avancée en défense (DARPA) organise actuellement l'Initiative d'analyse comparative quantique. Ce projet vise à déterminer si les puces informatiques quantiques peuvent être mises à l'échelle et rendues plus robustes que leur conception actuelle, caractérisée par un état quantique fragile.

Pour accomplir cette tâche, 18 entreprises ont été sélectionnées pour concourir afin d'atteindre l'échelle utilitaire dans le secteur de l'informatique quantique. L'échelle utilitaire désigne la capacité de l'informatique quantique à résoudre des problèmes qui dépassent largement les capacités des supercalculateurs actuels.

Cette tâche nécessitera une correction d'erreur en temps réel pour répondre aux exigences de haute fidélité. La fidélité désigne la précision de la puce. Les ingénieurs devront créer une puce quantique capable de stocker et d'accéder à d'énormes quantités d'informations tout en maintenant plus de 100 qubits de manière fiable dans l'état quantique fragile.

Puces quantiques à base de silicium

De nombreux types de puces quantiques ont été utilisés pour créer du matériel quantique. Cependant, l'introduction des puces quantiques à base de silicium présente des avantages considérables.

D'une part, ils peuvent exploiter les milliards de dollars investis dans l'infrastructure et les stratégies de fabrication déjà en place pour les puces traditionnelles. De plus, ces puces peuvent contenir des millions de qubits sur une seule puce. Ces qubits sont positionnés avec précision pour assurer un calcul quantique efficace.

Les prochaines étapes

Conscients du potentiel de la technologie des qubits de spin sur silicium, les ingénieurs ont cherché des moyens d'améliorer la conception de ces puces. Leurs recherches ont inclus d'importants tests en laboratoire. Les résultats obtenus se sont avérés exacts. Cependant, à ce jour, aucune tentative n'a été faite pour vérifier si le même niveau de précision pouvait être atteint avec les méthodes de fabrication industrielles traditionnelles.

La source - Nature

Pour accomplir cette tâche, les ingénieurs doivent relever plusieurs défis matériels. Leur conception devra tenir compte des interférences causées par le bruit de charge et le désordre statique. Ces problèmes surviennent en raison de défauts et de pièges aux interfaces et dans les oxydes présents dans les puces de silicium.

Étude de fabrication de puces quantiques à grande échelle

La récente Cellules unitaires de qubits de spin en silicium compatibles avec l'industrie, avec une fidélité supérieure à 99 %¹ Une étude publiée le 24 septembre dans Nature fournit des informations précieuses sur les paramètres cruciaux responsables de la réalisation de puces quantiques évolutives.

Il établit un lien entre les capacités de surveillance en temps réel et la capacité de correction des erreurs quantiques. Plus précisément, il met en évidence les corrélations entre le bruit électrique et le transport de la barre de Hall. Dans le cadre de ces travaux, Diraq a conçu un nouveau logiciel de modélisation de la conception des puces.

Ils ont collaboré avec l'entreprise de fabrication de puces imec, chargée de la fabrication finale du dispositif. L'équipe a ensuite créé plusieurs modèles utilisant des plaquettes de silicium et une géométrie CMOS traditionnelle.

Outillage standard

Les ingénieurs ont opté pour plusieurs dispositifs à deux qubits utilisant un semi-conducteur métal-oxyde planaire avec des grilles en polysilicium. Ces dispositifs ont été fabriqués à l'aide d'outils semi-conducteurs standard dans une fonderie de 300 mm. Plus précisément, l'architecture utilisée comprenait une double boîte quantique et un transistor à un seul électron (SET), permettant une lecture du spin en temps réel.

Notamment, les quatre électrons du double point formé sous les électrodes de grille plongeur du dispositif permettent de contrôler le couplage tunnel entre les points et de fournir une analyse du bruit. L'ensemble a ensuite été placé dans un réfrigérateur à dilution 3He/4He réglé à une température de base de 10 mK en mode isolé.

Test de la nouvelle conception de puce quantique

Pour tester leur conception, l'équipe a soumis le dispositif à plusieurs conditions expérimentales créées au sein du laboratoire de recherche de l'UNSW. La première étape a consisté à évaluer la fonctionnalité principale des qubits de la puce. Ce test comprenait le test de portes à un et deux qubits et l'enregistrement des taux d'erreur.

L'équipe a notamment utilisé un outil de pointe de tomographie par portes (GST) pour obtenir des informations précieuses sur l'état quantique en temps réel. Cette approche leur a permis de déterminer des facteurs d'interférence tels que la diaphonie et la répartition entre les erreurs stochastiques et cohérentes.

Après avoir documenté quatre conceptions, ils ont effectué des mesures de cryo-sondage sur 16 autres options. Chaque puce présentait une forme et une architecture légèrement différentes, ce qui a permis à l'équipe de comprendre comment leur conception assure un contrôle électrostatique uniforme des électrodes de grille du dispositif.

Résultats des tests d'étude sur la fabrication de puces quantiques à grande échelle

Les résultats des tests ont démontré le succès du concept. L'équipe a démontré les hautes performances des qubits sur la plaquette de 300 mm en utilisant des fonderies de semi-conducteurs traditionnelles. Leurs données suggèrent que la puce a fonctionné exactement comme prévu. Dans les installations de contrôle à un et deux qubits, la précision a dépassé 99 % sur les quatre dispositifs.

Les résultats de ces tests indiquent que la puce quantique en silicium de Diraq peut être produite en série avec succès grâce aux stratégies CMOS traditionnelles. Cette découverte ouvre la voie à la production à grande échelle de dispositifs informatiques quantiques de nouvelle génération.

Avantages de l'étude sur la fabrication de puces quantiques à grande échelle

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Cette étude présente de nombreux avantages pour l'industrie. Elle a notamment apporté des connaissances scientifiques précieuses pour surmonter les limites techniques des stratégies de fabrication quantique à grande échelle. Elle a également démontré une méthode pour intégrer les puces quantiques à la production de masse future.

Précision

L'une des découvertes les plus importantes est que le procédé de fonderie n'a pas réduit la précision ni la fidélité des puces quantiques. Il a même démontré que les puces quantiques à base de silicium peuvent maintenir une précision de premier ordre lorsqu'elles sont créées à l'aide de stratégies de pointe en matière de qubits de spin, associées à une correction d'erreur en temps réel.

Fabrication de masse

L'objectif principal de l'étude était de démontrer que les ordinateurs quantiques à base de silicium peuvent exploiter l'industrie des semi-conducteurs, déjà mature. Les ingénieurs ont atteint cet objectif, ouvrant ainsi la voie à une adoption à grande échelle de ces puces.

Applications concrètes et chronologie

Cette étude a plusieurs applications. Elle contribuera notamment à ouvrir la voie à la production à grande échelle de puces quantiques en silicium fiables. Ces dispositifs joueront un rôle essentiel dans de nombreux secteurs de haute technologie, notamment l'IA, l'aérospatiale, la médecine, la modélisation climatique, et bien d'autres.

Chronologie de l'étude sur la fabrication de puces quantiques à grande échelle

Il faudra attendre sept à dix ans avant de pouvoir trouver des appareils quantiques à un prix abordable dans votre magasin d'informatique local. Cependant, ces travaux ouvrent la voie à des ordinateurs quantiques à prix raisonnable au cours de la prochaine décennie.

Étude sur la fabrication de puces quantiques à grande échelle par des chercheurs

Pour assurer le succès de l'étude sur la fabrication de puces quantiques à grande échelle, Diraq, une start-up spécialisée en nanotechnologie de l'UNSW Sydney, a collaboré avec le Centre interuniversitaire de microélectronique (IMEC), institut européen de nanoélectronique. Diraq avait notamment précédemment dévoilé une puce de silicium permettant de fabriquer des qubits grâce aux procédés CMOS dans son laboratoire.

Cette étape a incité l'équipe à pousser la technologie plus loin, permettant l'utilisation de méthodes de fabrication à grande échelle. Cette avancée fondamentale ouvre la voie à la production en série de puces quantiques à base de silicium, destinées à des applications aussi variées que les transports ou les dispositifs médicaux.

Orientations futures de la recherche

Commentant leurs projets, les ingénieurs prévoient d'approfondir leurs recherches sur les grandes configurations et les occupations électroniques plus élevées. Leur objectif est de mieux comprendre l'origine physique des mécanismes d'erreur observés et de créer des modèles capables de prédire et de prévenir avec précision ces phénomènes. En cas de succès, ces travaux ouvriraient la voie à des performances encore plus élevées dans le secteur.

Investir dans l'informatique quantique

Plusieurs développeurs d'ordinateurs quantiques opèrent à l'échelle mondiale. Ces entreprises continuent de repousser les limites de l'informatique en investissant constamment dans la R&D afin de réduire les coûts de fabrication. Voici une entreprise qui conserve son esprit pionnier sur le marché et est reconnue comme un leader du secteur.

Rigetti Computing

Rigetti Computing a fait son entrée sur le marché en 2013. Basée en Californie, elle a été fondée par un physicien nommé Chad Rigetti. À l'origine, Rigetti Computing se concentrait sur la création et la maintenance de qubits supraconducteurs. Cette approche incluait la création de systèmes quantiques supraconducteurs full-stack et d'autres matériels essentiels.

Rigetti Computing a toujours fait preuve d'un esprit pionnier sur le marché. Par exemple, elle a lancé le premier processeur quantique en 2016. Cette puce à 3 qubits ouvre la voie à de futures innovations, notamment le lancement de l'environnement de programmation quantique Forest, qui a contribué au développement d'algorithmes.

En 2017, Rigetti Quantum Cloud Services (QCS) a été lancé, permettant aux entreprises d'accéder à de puissantes puces quantiques. Cette initiative a été rapidement suivie par l'ouverture d'une nouvelle fonderie à Fremont, en Californie, la même année. Ces initiatives ont contribué à renforcer le positionnement et les capacités de fabrication de l'entreprise.

En 2024, Rigetti Computing a présenté ses processeurs à 32 qubits. Cette initiative a été suivie d'un partenariat stratégique avec AWS. Toutes ces initiatives ont renforcé le positionnement de Rigetti Computing sur le marché et la confiance des consommateurs. Rigetti Computing est ainsi aujourd'hui perçu comme un excellent moyen de se faire connaître dans le secteur de l'informatique quantique.

Dernières actualités et performances de l'action BDX (RGTI)

Étude sur la fabrication de puces quantiques à grande échelle | Conclusion

Il existe de nombreuses raisons pour lesquelles la création de puces quantiques en silicium capables de tirer parti de la maturité du secteur des semi-conducteurs est bénéfique pour tous. D'une part, elle favorisera la réduction des coûts et la poursuite de la recherche. D'autre part, elle inspirera davantage d'innovations technologiques à l'avenir.

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Références

^{1. Steinacker, P., Dumoulin Stuyck, N., Lim, WH, Tanttu, T., Feng, M., Serrano, S., Nickl, A., Candido, M., Cifuentes, JD, Vahapoglu, E., Bartee, SK, Hudson, FE, Chan, KW, Kubicek, S., Jussot, J., Canvel, Y., Beyne, S., Shimura, Y., Loo, R., . . . Dzurak, AS (2025). Cellules unitaires spin-qubit en silicium compatibles avec l'industrie dépassant 99 % de fidélité. Nature, 1-7. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09531-9}