Puces quantiques à portée de la réalité grâce à une conception silicium évolutive

Des chercheurs de Diraq ont présenté une méthode de fabrication à grande échelle de qubits haute fidélité, commercialement viable, qui pourrait transformer le secteur informatique. Cette démonstration de faisabilité s’appuie sur des procédés industriels traditionnels employés depuis des décennies pour produire des puces d’ordinateur quantique fiables, évolutives et tolérantes aux pannes, sans sacrifier la fidélité. Voici ce qu’il faut savoir.

La demande de superordinateurs quantiques abordables est en hausse

Il y a une demande croissante pour les services et les spécialistes en informatique quantique. Selon des rapports récents, les entreprises ont déjà dépensé 2,35 milliards de dollars en services quantiques l’année dernière. De plus, le secteur a connu une augmentation significative des embauches, les statistiques de LinkedIn indiquant une hausse de 180 % des entreprises recherchant des professionnels du quantique entre 2020 et 2024.

De nombreuses raisons expliquent l’augmentation de la demande en informatique quantique. L’une d’elles est les applications militaires. Dans le monde entier, les armées ont investi des fonds importants dans l’espoir d’obtenir un avantage concurrentiel sur leurs rivaux.

Initiative de Benchmarking Quantique

La Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) des États-Unis mène actuellement la Quantum Benchmarking Initiative. Ce projet vise à déterminer si les puces quantiques peuvent être produites à grande échelle et rendues plus robustes que les modèles actuels, dont l’état quantique est fragile.

Pour y parvenir, 18 entreprises ont été sélectionnées et mises en concurrence afin d’atteindre l’échelle utile dans le domaine de l’informatique quantique. Cette expression désigne la capacité d’un ordinateur quantique à résoudre des problèmes qui dépassent très largement les possibilités des superordinateurs actuels.

Cette tâche exigera une correction des erreurs en temps réel pour répondre aux critères élevés de fidélité, c’est-à-dire de précision de la puce. Les ingénieurs devront créer une puce quantique capable de stocker et de consulter d’immenses volumes d’informations tout en maintenant de manière fiable plus de 100 qubits dans un état quantique fragile.

Puces quantiques à base de silicium

De nombreux types de puces quantiques ont été employés pour créer du matériel quantique. L’arrivée des puces quantiques à base de silicium présente toutefois des avantages considérables.

Elles peuvent notamment profiter des milliards de dollars d’infrastructures et des méthodes de fabrication déjà en place pour les puces classiques. Une seule puce peut aussi accueillir des millions de qubits, disposés avec précision pour assurer un calcul quantique efficace.

Les prochaines étapes

Conscients du potentiel des qubits de spin en silicium, les ingénieurs ont cherché à améliorer ces architectures. Leurs travaux ont donné lieu à de nombreux essais en laboratoire, dont les résultats se sont révélés précis. Jusqu’ici, personne n’avait cependant vérifié si cette même précision pouvait être obtenue avec des méthodes traditionnelles de fabrication industrielle à grande échelle.

Source – Nature

Pour relever ce défi, les ingénieurs doivent surmonter plusieurs difficultés liées aux matériaux. Leur conception doit tenir compte des interférences dues au bruit de charge et au désordre statique, qui proviennent de défauts et de pièges présents aux interfaces et dans les oxydes des puces en silicium.

Étude de fabrication de puces quantiques à grande échelle

La récente étude Industry-compatible silicon spin-qubit unit cells exceeding 99% fidelity¹ publiée le 24 septembre dans Nature apporte des informations précieuses sur les paramètres essentiels à la mise au point de puces quantiques évolutives.

Elle établit le lien entre les capacités de surveillance en temps réel et la correction des erreurs quantiques, en mettant notamment en évidence des corrélations entre le bruit électrique et le transport dans les barres de Hall. Dans le cadre de ces travaux, Diraq a conçu un nouveau logiciel de modélisation de puces.

L’entreprise s’est associée au fabricant de puces imec, chargé de la production finale du dispositif. L’équipe a ensuite réalisé plusieurs modèles sur des plaquettes de silicium en utilisant une géométrie CMOS traditionnelle.

Outils standard

Les ingénieurs ont retenu plusieurs dispositifs à deux qubits fondés sur une structure métal-oxyde-semiconducteur plane dotée de grilles en polysilicium. Ils ont été fabriqués avec des outils standard de l’industrie des semiconducteurs dans une fonderie de 300 mm. L’architecture comprenait un double point quantique et un transistor à électron unique (SET), permettant la lecture du spin en temps réel.

Les quatre électrons du double point se forment sous les électrodes de grille de contrôle du dispositif. Cette configuration permet de régler le couplage tunnel entre les points et d’analyser le 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 du nouveau design de puce quantique

Pour tester leur dispositif, les chercheurs l’ont soumis à plusieurs conditions expérimentales créées dans le laboratoire de l’UNSW. Ils ont d’abord évalué les fonctions principales des qubits, notamment les portes à un et deux qubits, et mesuré les taux d’erreur.

L’équipe a notamment utilisé un outil de tomographie d’ensemble de portes (GST) de pointe afin d’observer l’état quantique en temps réel. Cette méthode lui a permis d’identifier des facteurs d’interférence tels que la diaphonie et de distinguer les erreurs stochastiques des erreurs cohérentes.

Après avoir documenté quatre conceptions, les chercheurs ont effectué des mesures cryogéniques sur 16 autres variantes. Chaque puce présentait une forme et une architecture légèrement différentes, ce qui a permis d’évaluer dans quelle mesure la conception assure un contrôle électrostatique uniforme des électrodes de grille.

Résultats des tests de l’étude de fabrication de puces quantiques à grande échelle

Les résultats ont confirmé la réussite du concept. L’équipe a démontré les hautes performances des qubits sur une plaquette de 300 mm fabriquée dans des fonderies traditionnelles de semiconducteurs. Les données indiquent que la puce a fonctionné exactement comme prévu : les quatre dispositifs ont dépassé 99 % de précision, aussi bien pour le contrôle à un qubit que pour celui à deux qubits.

Ces essais montrent que la puce quantique en silicium de Diraq peut être produite en série avec des procédés CMOS traditionnels. Cette découverte ouvre la voie à la fabrication à grande échelle d’une nouvelle génération de dispositifs d’informatique quantique.

Avantages de l’étude de fabrication de puces quantiques à grande échelle

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Cette étude apporte de nombreux avantages à l’industrie. Tout d’abord, elle a fourni des connaissances scientifiques précieuses pour surmonter les limitations techniques des stratégies de fabrication de l’informatique quantique à grande échelle. Elle a également démontré une façon d’intégrer les puces quantiques dans la fabrication de masse à l’avenir.

Précision

L’une des plus grandes découvertes est que le processus de fonderie n’a pas réduit la précision ou la fidélité des puces quantiques. Il a en fait démontré que les puces quantiques à base de silicium peuvent maintenir une précision de classe mondiale lorsqu’elles sont créées en utilisant des stratégies de spin-qubits de pointe couplées à une correction d’erreurs en temps réel.

Fabrication en masse

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

Applications réelles & Chronologie

Cette étude possède plusieurs applications. Tout d’abord, elle contribuera à offrir une voie viable pour la production à grande échelle de puces quantiques en silicium fiables. Ces dispositifs joueront un rôle essentiel dans de nombreuses industries de haute technologie, notamment l’IA, l’aérospatiale, le médical, la modélisation climatique, et bien d’autres.

Chronologie de l’étude de fabrication de puces quantiques à grande échelle

Il faudra 7 à 10 ans avant que vous puissiez vous rendre dans votre magasin d’informatique local et voir des appareils alimentés par le quantique à un prix abordable. Cependant, ce travail prépare le terrain pour des ordinateurs quantiques à prix raisonnable au cours de la prochaine décennie.

Chercheurs de l’étude de fabrication de puces quantiques à grande échelle

Pour faire de l’Étude de fabrication de puces quantiques à grande échelle un succès, Diraq, une startup nano‑technologique de l’UNSW Sydney, a collaboré avec l’institut européen de nanoélectronique Interuniversity Microelectronics Centre (imec). Notamment, Diraq avait précédemment dévoilé une conception de puce en silicium qui fabriquait des qubits en utilisant les processus CMOS dans leur laboratoire.

Cette étape a inspiré l’équipe à pousser la technologie plus loin, permettant l’emploi de méthodes de fabrication à grande échelle. Cette réalisation fondamentale ouvre la porte à la production en masse de puces quantiques à base de silicium pouvant être utilisées dans tout, du transport aux dispositifs médicaux.

Directions futures de recherche

En commentant leurs plans, les ingénieurs envisagent d’approfondir l’investigation des configurations larges et des 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 d’empêcher ces occurrences avec précision. En cas de succès, ce travail offrirait une voie claire vers 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 reste un esprit pionnier sur le marché et est reconnue comme un leader du secteur.

Rigetti Computing

Rigetti Computing (RGTI ) est entrée sur le marché en 2013. Elle est basée en Californie et a été fondée par un physicien nommé Chad Rigetti. L’objectif initial de Rigetti Computing était de créer et de maintenir des qubits supraconducteurs. Cette approche comprenait la création de systèmes quantiques supraconducteurs full‑stack et d’autres matériels essentiels.

Notamment, Rigetti Computing a toujours été un esprit pionnier sur le marché. Par exemple, elle a introduit 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 lancée, permettant un accès de niveau entreprise à des puces quantiques puissantes. Cette initiative a rapidement été suivie par l’ouverture d’une nouvelle fonderie à Fremont, CA, la même année. Ces actions ont contribué à renforcer le positionnement et les capacités de fabrication de l’entreprise.

En 2024, Rigetti Computing a démontré ses processeurs à 32 qubits. Cette initiative a été suivie d’un partenariat stratégique avec AWS. Toutes ces actions ont renforcé le positionnement de Rigetti Computing sur le marché et la confiance des consommateurs. Ainsi, aujourd’hui elle est considérée comme un excellent moyen d’obtenir une exposition au secteur de l’informatique quantique.

Dernières actualités et performances de l’action Rigetti Computing (RGTI)

Étude de fabrication de puces quantiques à grande échelle | Conclusion

Il existe de nombreuses raisons pour lesquelles la création de puces quantiques en silicium pouvant exploiter l’industrie semi‑conductrice mature est une victoire pour tous. Tout d’abord, cela favorisera la réduction des coûts et la recherche supplémentaire. De plus, cela encouragera davantage d’innovations technologiques à l’avenir.

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Références

^{1. Steinacker, P., Dumoulin Stuyck, N., Lim, W. H., Tanttu, T., Feng, M., Serrano, S., Nickl, A., Candido, M., Cifuentes, J. D., Vahapoglu, E., Bartee, S. K., Hudson, F. E., Chan, K. W., Kubicek, S., Jussot, J., Canvel, Y., Beyne, S., Shimura, Y., Loo, R., . . . Dzurak, A. S. (2025). Industry-compatible silicon spin-qubit unit cells exceeding 99% fidelity. Nature, 1-7. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09531-9}