Les qubits millisecondes marquent une avancée majeure dans la technologie quantique

Percée majeure dans le domaine des qubits supraconducteurs à l'échelle de la milliseconde

Les ordinateurs quantiques pourraient révolutionner notre façon de réaliser la cryptographie, de calculer des simulations complexes comme la configuration 3D des protéines, et ont probablement bien d'autres applications que nous imaginons à peine aujourd'hui.

Pour fonctionner, ces ordinateurs ont besoin de qubits aussi stables que possible, l'élément fondamental du calcul quantique. Jusqu'à présent, seuls les ordinateurs quantiques à ions piégés sont parvenus à générer des qubits extrêmement stables. Cependant, cette technologie est intrinsèquement plus difficile à industrialiser que celle des qubits supraconducteurs.

Ainsi, même si les qubits supraconducteurs représentent peut-être l'avenir de cette technologie, une amélioration de la stabilité de leur temps de cohérence est nécessaire.

C’est précisément ce qu’une importante équipe de chercheurs de l’université de Princeton vient de réaliser. Ils ont créé un type de qubits supraconducteurs capables de maintenir leur cohérence pendant plus d’une milliseconde, soit trois fois plus longtemps que le record précédent.

Ils ont publié leurs résultats dans Nature.¹, sous le titre "Durées de vie en millisecondes et temps de cohérence dans les qubits transmon 2D ».

La limite de cohérence des qubits

Pour effectuer des calculs quantiques, un ordinateur quantique doit maintenir la « cohérence », un état quantique particulier extrêmement sensible aux perturbations environnementales. En général, le bruit thermique et les mouvements des particules tendent à détruire la cohérence en quelques nanosecondes.

Dans des conditions particulières, comme à très basse température, la durée de vie d'un qubit peut être plus longue. Cependant, le maintien d'une cohérence suffisante reste une limitation majeure pour la plupart des ordinateurs quantiques actuels, engendrant des erreurs de calcul qui non seulement réduisent la capacité de calcul totale, mais sont aussi difficilement corrigibles par des mises à jour logicielles.

Déterminer quel matériau est capable de maintenir sa cohérence plus longtemps constitue donc une étape clé à franchir avant d'atteindre le stade commercial pour l'industrie de l'informatique quantique.

« Le véritable défi, ce qui nous empêche aujourd'hui d'avoir des ordinateurs quantiques utiles, c'est que lorsqu'on construit un qubit, l'information ne dure pas très longtemps. »

« C’est le prochain grand pas en avant. »

Andrew Houck, doyen de la faculté d'ingénierie de Princeton

Comment les chercheurs ont étendu la cohérence des qubits Transmon

Les chercheurs ont utilisé le même type de qubits supraconducteurs que ceux utilisés par des entreprises comme Google ou IBM dans leur propre ordinateur quantique. tqubits ransmon.

Les qubits Transmon présentent l'avantage d'être de haute fidélité (fidélités de porte à qubit unique supérieures à 99.9 %), de pouvoir être produits à grande échelle et de présenter des temps de cohérence élevés de 0.1 milliseconde.

C'est prometteur, mais le temps de cohérence est encore trop faible.

Ainsi, lorsque les chercheurs de Princeton ont annoncé avoir réussi à créer un qubit d'une durée moyenne de 1.68 ms, cela représente une amélioration considérable.

Source: Nature

Il s'agit d'une durée de qubit 3 fois supérieure à la meilleure jamais créée en laboratoire, et 15 fois plus puissante que celle utilisée par les entreprises privées développant des ordinateurs quantiques.

Pourquoi le tantale et le silicium améliorent la cohérence quantique

Renforcement de la cohérence par le tantale

Pour parvenir à ce résultat, les chercheurs ont utilisé deux améliorations différentes au niveau du matériau utilisé.

Ils ont d'abord utilisé un métal appelé tantale comme couche de base afin d'aider les circuits fragiles à préserver l'énergie. En effet, de minuscules défauts de surface, invisibles à l'œil nu, peuvent piéger et absorber l'énergie lors de sa propagation.

Le problème est particulièrement préoccupant lorsque l'on ajoute davantage de qubits à une puce ; ce type d'erreur se multiplie au point de rendre la puce inutilisable au-delà d'un certain nombre.

La microscopie électronique à transmission à balayage (STEM) a été utilisée pour confirmer la structure très régulière des cristaux cubiques de tantale.

Source: Nature

Comparé à des métaux comme l'aluminium, le tantale présente beaucoup moins de défauts et est très résistant aux procédés de nettoyage agressifs utilisés pour éliminer les impuretés.

« On peut mettre du tantale dans de l'acide, et ses propriétés restent inchangées. »

Faranak Bahrami – Recherche à l'Université de Princeton

La croissance directe du tantale sur le silicium a constitué un défi qui a nécessité des efforts considérables.
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Le silicium remplace le saphir

Une autre source de perte d'énergie entraînant une perte de cohérence est le substrat de saphir utilisé dans les puces quantiques.

Les chercheurs ont plutôt utilisé du silicium de haute qualité (à haute résistivité), un matériau standard courant dans l'industrie informatique traditionnelle.

Ensemble, ces améliorations apportées aux matériaux utilisés dans cette plateforme de tantale sur silicium ont permis aux portes à qubit unique résultantes d'atteindre une fidélité de 99.994 %.

De la percée en laboratoire aux puces quantiques à grande échelle

Les chercheurs ont ensuite utilisé leur méthode pour construire une puce quantique entièrement fonctionnelle qui surpasse toutes les conceptions précédentes.

Comme le taux d'erreur est multiplicatif, ce type d'amélioration croît de façon exponentielle avec la taille du système. Par conséquent, une amélioration de 10 à 15 fois du taux d'erreur pour les qubits individuels a un impact beaucoup plus important sur un ordinateur multiqubits.

Il est important de noter qu'un tel qubit n'est pas un concept nouveau et exotique, mais simplement un qubit supraconducteur « traditionnel » utilisant un matériau différent, ce qui permet de les intégrer facilement dans les ordinateurs quantiques existants et de les utiliser avec les logiciels de calcul quantique existants.

« En remplaçant les composants de Princeton par le meilleur processeur quantique de Google, appelé Willow, on pourrait multiplier ses performances par 1 000. »

Les avantages du qubit de Princeton augmentent de façon exponentielle à mesure que la taille du système augmente ; ajouter davantage de qubits apporterait donc des avantages encore plus importants.

Andrew Houck, doyen de la faculté d'ingénierie de Princeton

Cela signifie que la conception de Princeton pourrait permettre à un ordinateur hypothétique de 1 1,000 qubits de fonctionner environ un milliard de fois mieux.

Mieux encore, l'utilisation du tantale et du silicium signifie que la méthode de fabrication s'intègre à celles déjà utilisées par l'industrie des semi-conducteurs, ce qui rend la production de masse beaucoup plus facile à atteindre qu'une technologie entièrement nouvelle.

Cette recherche semble indiquer que les puces quantiques en silicium, dont nous avons déjà parlé., représentent probablement la bonne direction pour l'industrie de l'informatique quantique.

Ensemble avec de meilleures sources de lumière quantique, puces hybrides quantiques-photoniques et la possibilité de transporter des informations quantiques en même temps que les flux de données de télécommunications normauxCes avancées vers des ordinateurs quantiques beaucoup plus grands montrent que cette technologie atteint rapidement sa maturité commerciale.

Investir dans l'innovation en informatique quantique

1. Alphabet inc.

Google est très actif dans le domaine de l'informatique quantique, principalement par le biais de ses Laboratoire d'IA quantique de Google et campus d'IA quantique à Santa Barbara.

En 2019, Google a marqué l'histoire avec son ordinateur quantique Sycamore, affirmant avoir atteint la « suprématie quantique ». Cette machine a effectué en 200 secondes un calcul qui aurait nécessité 10 000 ans pour un supercalculateur classique.

Ceci est désormais éclipsé par les performances de sa toute nouvelle puce, appelée WillowIl s'agit de la toute première puce d'informatique quantique dont le taux d'erreur est suffisamment faible pour que plus on ajoute de qubits, moins il y a d'erreurs. C'est ce qui en fait la toute première puce quantique évolutive.

Mais la plus grande contribution de Google réside peut-être dans le domaine des logiciels, un secteur où son expérience est impressionnante, voire meilleure que dans celui du matériel (Recherche, G Suite, Android, etc.).

L'IA quantique de Google met déjà à disposition une suite de logiciels conçus pour aider les scientifiques à développer des algorithmes quantiques.

Elle prône également ouvertement «chercheurs, ingénieurs et développeurs à nous rejoindre dans ce voyage en consultant notre logiciel open source et des ressources pédagogiques, y compris notre nouveau cours sur Coursera, où les développeurs peuvent apprendre les bases de la correction des erreurs quantiques et nous aider à créer des algorithmes capables de résoudre les problèmes du futur. »

Grâce à cette approche ouverte, Google est désormais leader dans le domaine du matériel informatique et des solutions cloud. Google pourrait bien figurer parmi les entreprises qui définiront les normes en matière de logiciels et de programmation quantiques, ce qui lui confère une position privilégiée pour orienter l'évolution future de ce secteur.

Pendant ce temps, les solutions d'IA, notamment la voiture autonome de Waymo, pourraient devenir le nouveau moteur de revenus d'Alphabet, qui détient toujours une position massivement dominante dans les secteurs de la recherche et de la publicité.

Vous pouvez en apprendre davantage sur les activités de Google non liées à l'informatique quantique, notamment la publicité et l'IA. dans notre rapport dédié de décembre 2024.

Dernières actualités et développements concernant l'action Alphabet (GOOGL)

Étude référencée :

^{1. Bland, MP, Bahrami, F., Martinez, JGC et al. Durées de vie en millisecondes et temps de cohérence dans les qubits transmon 2D. Nature 647, 343–348 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09687-4}